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在5月14日的《自然》（《Nature》）封面上，介绍了激光雷达的工作成果，并对未来无人驾驶技术的前景进行了展望。 这一成果的重要贡献者之一刘俊秋是中国科学技术大学2008级少年班学院校友。 他负责Nature成果的核心技术——氮化硅芯片的制备。 氮化硅芯片基于 4 月 20 日发表在 Nature Photonics 上的一篇论文。 刘俊秋为后一篇论文的第一作者。

《自然光子学》重要成果：氮化硅芯片

4月20日，《Nature Photonics》发表了题为“Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”的工作，来自洛桑瑞士联邦理工学院Tobias J. Kippenberg教授研究所(EPFL) 领导的团队。 第一作者为刘俊秋（0800）。 何继军（中国科大0938校友）为共同第一作者。 中方合作者包括上海大学郭海润教授。

虽然《Nature》的正刊可能更受关注，但很多专家都认可刘俊秋等《Nature Photonics》的论文为第一作者。 刘俊秋参加了2019年在比利时根特大学和微电子研究中心（IMEC）举办的欧洲集成光子学会议（ECIO），并在报告中介绍了发表在Nature Photonics上的成果。 大会评委云集行业权威。 他们几乎一致认为，柳俊秋的报告是全场最好的学生报告。 《Natural Photonics》论文介绍了氮化硅芯片，带来了三篇Nature论文（其中一篇是Nature 5月14日发表的封面成果）。

从微波光子学到新型微腔频率梳

近年来，5G、物联网等新兴信息技术的出现和发展，使人们的生活更加便捷、智能，极大地促进了工业生产和社会发展。 然而，随着智能设备的数量越来越多，功能越来越强大，它们对通信带宽的需求也越来越高。 然而，目前使用的低频通信频段已经非常拥挤。 为了克服这一频谱危机，主要的发展趋势是将通信频段推向更高的频率。 在此背景下，一门新兴的交叉学科：微波光子学（Microwave photonics）诞生，它将光电技术与微波技术相结合，突破了目前信号处理的瓶颈，使高频信号的合成、分配和处理成为可能。

微波光子学的核心模块是光学频率梳。 光学频率梳是一种特殊的超短脉冲光源，具有稳定的重复率，其光谱对应由数百个相干且精确间隔的激光线梳表示。 因此，光学频率梳是一种测量频率的尺子，可以用来测量极其精确的时间间隔，在光学原子钟、量子通信、精密测量等方面有着广泛而深刻的应用。 同时，它还可以作为光波到微波的桥梁，在微波光子技术领域发挥着举足轻重的作用。 正因如此，2005年诺贝尔物理学奖的一半奖励给了在频率梳领域做出开创性工作的科学家。 目前，频率梳产生的主要机制仍然是基于锁模激光器和光子晶体光纤的超连续谱产生，这导致了商用频率梳仪器平台。 然而，虽然传统的光学频率梳已经商业化，但这些商用频率梳仪器平台的整体系统非常精密，体积庞大，而且极其昂贵（每台数十万美元）。 因此，新型微型化频率梳的研究成为光学领域的研究热点。

图1、氮化硅微腔光学芯片

2007年，Tobias J. Kippenberg教授领导的团队首次在具有超高品质因数的光学微谐振腔中实现了基于克尔非线性的频率梳生成。 这项工作开辟了一个全新的光学领域——微腔频率梳。 这种新型频率梳本质上是一种耗散克尔孤子。 这些孤子是在光学微谐振器内循环的超短相干光脉冲。 因此，这些频率梳常被称为“孤子微梳”（Soliton microcomb）。 孤子微梳的产生需要非线性光学微腔，其具有体积小、能耗低、可控性高等特点。 特别是，光学微腔可以通过利用半导体纳米微加工技术在集成材料中实现。 这些材料包括氮化硅、硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、砷化铝镓等。 其中，由于氮化硅在通信1550nm波段没有双光子吸收，也是集成光学的三大主流平台之一（硅、磷化铟、氮化硅），是目前最成熟的芯片频率梳理平台。 基于芯片集成微腔的光频梳尺寸仅为毫米级，生产成本低，适合工业化大批量生产，有望成为未来光频梳的主流平台。

氮化硅集成芯片频率梳领域重大突破

在《Nature Photonics》的工作中，研究人员开发了一种新的半导体纳米加工技术，制造出损耗接近1 dB/m的氮化硅波导，这也是世界上所有集成波导材料中最低的。 最低记录。 依托这一先进技术，瑞士洛桑联邦理工学院研究团队实现了微波K波段（10GHz，雷达波段）和X波段（20GHz光源 光纤光谱仪 报价，5G通信）重复频率的芯片集成频率梳band）在世界上首次，成功解决了这个问题。 该领域存在近 10 年的问题。 所产生的微波信号具有与商用电子微波合成器相同甚至更低的相位噪声特性。 集成孤子微梳可作为连接集成光子学、非线性光学和微波光子学等领域的桥梁技术。

能够实现如此低的波导损耗，是基于研究团队开发的一种新型氮化硅纳米微加工工艺技术，即“氮化硅光子大马士革工艺”。 该工艺的开发和氮化硅芯片的制造均在位于洛桑的瑞士联邦理工学院微纳米技术中心（CMi）完成。 同时主导氮化硅工艺研发和制造的论文第一作者刘俊秋提到：“我们创新性地采用深紫外步进光刻技术、刻蚀、化学气相沉积、化学机械抛光等技术，氮 氮化硅波导的制造，产生的芯片波导损耗远低于传统纳米加工技术，使大规模商业化生产成为可能。基于氮化硅微腔的集成频率梳非常适合构建高纯度通信光源和超- 低相位噪声微波振荡器的关键模块可广泛应用于未来的综合雷达和信息网络。”

《自然》封面成果，低年级学生做出重要贡献

图二：5月14日《自然》封面

这种超低损耗的氮化硅波导也使得集成微腔光频梳在一些新兴领域得到应用。 最新一期《自然》杂志的封面重点报道了研究组基于氮化硅技术的激光雷达工作“Massively parallel coherent laser ranging using soliton microcombs”。 《Nature》封面论文，Kippenberg教授为压轴通讯作者。 刘俊秋制备的氮化硅芯片在这项工作中起到了关键作用。

相干激光雷达 (LiDAR) 是一项利用激光探测物体距离和移动速度的尖端技术。 其原理是通过发射激光，分析物体的反射光，获得物体的空间和速度信息。 LiDAR具有空间分辨率高、广角分辨率高、不受自然光影响等特点，有望在无人驾驶汽车技术中发挥核心作用。

目前限制相干激光雷达的主要技术问题是获得窄线宽可调谐小型激光器。 激光器的可控性和体积是并行多通道相干激光雷达可行性的主要决定因素。 在发表在《自然》杂志上的工作中，瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队利用氮化硅微腔光学频率梳技术，实现了一种新型超大规模平行相干激光雷达。 他们将单调频连续波泵浦激光器耦合到超低损耗氮化硅微腔中，并生成孤子光频梳。 由于孤子频率梳的产生机制，泵浦激光器的频率调谐同步传递到所有频率梳的齿上，从而实现多通道并行相干激光雷达阵列。 通过设计氮化硅波导尺寸，生成的光频梳具有100 GHz的齿间距，可以通过标准光学衍射模块轻松区分。 由于每个梳齿都继承了泵浦激光器加载的线性啁啾光源 光纤光谱仪 报价，这相当于用一个孤子微梳同时实现了近30个独立的相干激光雷达通道。 每个通道都能够同时测量被测物体的距离和速度信息。 此外，不同通道的梳状分离使得该设备不受通道串扰的影响，并可以与最近开发的集成光学相控阵发射器模块进一步集成。

据刘俊秋介绍，基于这种氮化硅芯片集成频率梳技术，瑞士联邦理工学院团队与美国合作者共同开展并完成了全集成芯片频率梳模块的研发，并集成了声光基于压电材料的频率梳模块。 调制器。 两部作品均已被《自然》杂志接收，预计将于6月和7月发表。 毫无疑问，氮化硅芯片集成频率梳正成为一项关键技术，将对芯片集成光谱仪、光学原子钟、光学相干层析成像等新兴技术产生重要影响。

科大少年班90后“后浪”“大浪”：浪潮还没停！

刘俊秋和何继军都是科大的90后。 自今年5月4日青年节以来，“后浪”成为舆论场的热门话题。

中科大少年班的90后也被称为“巨浪”、“海啸”。 5月6日，10位同学的曹原又发表了两篇关于魔角石墨烯的论文，登顶Nature（2018年3月6日连续发表两篇论文）； 王五斋 季竹润09-10 青年兄妹5月1-14日发表顶级学术期刊《科学》，在II型外尔半金属领域取得重要成果。 李正道教授曾盛赞中科大少年班的同学们“出类拔萃，创造如少年”！ 我们可以期待：中科大少年班带出的人才，同学们掀起的“滔天巨浪”不会停歇。

校友简介

刘俊秋，毕业于安徽省马鞍山市第二中学，中国科学技术大学2008级少年班学院（00班）。 2016年获得德国埃尔兰根-纽伦堡大学硕士学位（最高荣誉）； 2020年获瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）博士学位。

何继军，毕业于安徽蚌埠二中，中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系（0938）。 2015年和2019年分别获得香港理工大学硕士学位和博士学位。

新闻来源：中国科学技术大学新创校友基金会编辑部发布，欢迎转载，请以尊重文章完整性为前提。