光聲之間

劉婉茹

德國一位物理學家曾說，在追求真理、揭示自然奧秘的探索中，“量子向我們展示了另一種世界觀。去了解它，確實不那么容易，而一旦我們去嘗試了，將會觸摸到一個更為豐富的世界”。現今，量子科學已發展到了可以對單個量子態操控的驚人水平。為了對光子、電子、聲子等粒子或準粒子進行精準操控，科學家們在探索各種新型光電材料的同時，通過將傳統材料微納化形成人工微納結構。

微納結構具有新奇的光電效應，利用它有可能制作出新型的光電器件。在如今飛速發展的信息社會，有可能會帶來信息技術的革命。光子晶體和光聲晶體就是通過微納尺度下的人工周期結構，實現對光子、聲子及其相互作用的操控，是一個有著巨大創新空間和廣闊應用前景的研究方向。

什么是光子晶體、光聲晶體？它們具體有什么應用前景？對此，記者采訪了清華大學電子工程系副教授崔開宇。

崔開宇一直致力于光子晶體無源、有源器件及其在集成芯片上的應用研究，實現了尺寸最小的寬帶光開關，同時是InP基有源光子晶體刻蝕深寬比紀錄保持者。在清華大學留校工作后，崔開宇又在國內率先開展光聲晶體前沿研究，在國內首次研制出大于5GHz聲子頻率的納米臂微腔。作為項目負責人和項目骨干，崔開宇還承擔了多項國家和國際合作項目。

針對光子晶體，取得關鍵性突破

“蝴蝶的翅膀為什么有很多種顏色？蝴蝶的翅膀本是無色的，只是因為具有特殊的微觀結構，才會在光線的照射下呈現出繽紛的色彩。”崔開宇舉例說明，蝴蝶的翅膀就是一種光子晶體，只是自然界中的光子晶體很難為我們所用。作為一個80后，崔開宇一直很喜歡物理學，尤其喜歡與物理相關的交叉科學。因此，本科之后直博的她選擇了光電子方向，開始研究光子晶體。

“人們希望對光子也有一種非常有效的調控，于是在硅材料等半導體材料上做一個光學尺度的人工晶體，就叫做光子晶體。跟自然界中調控電子的晶體相類比，光子晶體其實就是用來調控光的。”崔開宇解釋，光子晶體是近年來迅速發展的新一代微納結構材料，基于其光子能帶所特有的帶隙限制特征，不僅可實現傳統光電子器件難以實現的許多功能，還使微納尺度超小型化光子集成回路的實現成為可能。

“眾所周知，光的速度很快，它跑進去一趟還沒來得及跟里面物質相互作用，就跑得很遠了，所以光器件要比電子器件大幾個數量級。”崔開宇說，“如果能把光速降低，那我們就能把器件尺寸縮小。”基于半導體平面工藝的二維光子晶體波導，可利用人工設計的周期性結構來調控光的群速度，來突破傳統材料的折射率限制，在光群速度調控方面具有不可替代的優勢。因此，光子晶體慢光波導已成為近年來國際上的研究熱點。

“利用慢光增強效應可以從空間上壓縮光信號，可以增強相移、非線性、光增益等，實現微納尺度的超低功耗的有源器件、可控型光放大器件以及光延時功能器件。因此，作為重要的光子集成途徑之一，光子晶體慢光波導具有重要的學術研究意義和實用價值。”崔開宇高興地告訴記者，他們實驗室是國內第一個把光子晶體里的慢光測出來的，其光速可以達到真空中光速的八十分之一。

近幾年，崔開宇以光子晶體慢光波導作為切入點，利用熱光效應改變周期結構折射率的機制研究光子晶體慢光波導的調控性能，在理論設計、工藝實現到測試技術方面取得關鍵性突破，通過實驗獲得了小尺寸、低功耗的光子晶體慢光調控的新型功能器件。2011年以來，相關工作連續發表在Applied Physics Letters、Applied Optics、IEEE Photonics Journal等國際期刊上，得到了國際同行的肯定。

通信波段的III-V族有源半導體材料，是崔開宇的另一個關注點。她發現，當利用通信波段的III-V族有源半導體材料制作微納光源時，水平方向只有百納米的小孔，需要在垂直方向上刻蝕穿透幾微米厚的PN結和量子阱結構。刻蝕結構需要像針孔一樣又細又深，因此高深寬比刻蝕技術是實現有源半導體微納光源的關鍵。此前，英國研究組曾在J.Vac.Sci.Technol.B雜志上發表他們的工作，制備出了超高深寬比為38的InP/InGaAsP有源光子晶體，這個紀錄保持了近10年，直到崔開宇取得了新突破。2013年，美國物理聯合會旗下的AIP Advances刊登了這一突破性進展，這一次，崔開宇的挑戰將InP/InGaAsP有源光子晶體的刻蝕深寬比提升到了45，一時間國際學術界紛紛矚目。美國專業媒體VerticalNews以“Recent Findings from Tsinghua University Provides New Insights into Nanotechnology”為題進行了報道。“相關的測試結果都表明，我們的工作實現了高質量、大深寬比InP基有源光子晶體的干法刻蝕工藝，突破了InP基有源光子晶體制備的關鍵工藝瓶頸。”崔開宇說。

能夠取得這些成果，崔開宇認為離不開多年來導師的言傳身教。她從吉林大學來到清華大學直讀博士的時候，導師就是現任電子工程系系主任黃翊東教授。“她是一個有理想和追求的人，對學生的學業、生活都很關心。”崔開宇表示，她會秉承導師的這種作風，將其傳遞給自己的學生。

圍繞光聲晶體，抓住重要機遇

在微納結構中光子與電子相互作用的基礎上，通過微納結構形成光學微腔來增強光子與聲子的相互作用是近幾年迅速引起關注的一個嶄新的研究方向——腔光力學。崔開宇介紹說，腔光力系統為光子與電子、聲子的量子操控引入了豐富的物理內涵，產生了一系列新的物理機制。其中，利用微納結構形成的腔光力系統有可能提供光子與電子、聲子操控的新機制和新手段，是未來新型光子器件的物理基礎。

目前，腔光力系統的相關研究尚處于萌芽狀態，仍然有很多關鍵問題有待解決。正因此，這一領域成為崔開宇的興趣所在，是她未來的工作方向。“科研的每一天都是在做創新工作，有很多的問題需要去攻克和解決。”崔開宇告訴記者，“最關鍵的是，當你進入到一個方向時，知道這個方向的發展趨勢，發現這里面影響事物發展的核心問題，只有知道了問題，才能夠想出辦法來解決，實現創新。”

崔開宇所說的“新的物理現象和機制”，需要在腔光力系統中實現強的光子與聲子的相互作用。而要增強光子與聲子的相互作用，其核心問題就是如何利用微腔實現光子、聲子的空間局域和頻率選擇，從而操控兩者之間的能量耦合過程。

為了進行有效的研究和應用，這一問題必須要得到良好的解答。一直以來，科學家們嘗試提出了多種微納結構來實現光子與電子、聲子的操控，但直到光聲晶體概念提出后，才為同時操控光子和聲子提供了新的機理和有效的途徑，為片上“超冷 ”量子基態的實現提供了可能。

什么是光聲晶體？

“通過某種周期結構不僅調控光子，還調控聲子，就是光聲晶體了。”崔開宇解釋說。現在，崔開宇在研究光子晶體的基礎上進一步拓展，開始探索光聲晶體了。

光聲晶體是怎么產生的？崔開宇進行了詳細的闡述：在半導體材料上制作微納周期小孔，當光波通過光波長尺度重復的周期結構時，經過多次的反射和疊加，有些頻率的光波可以通過，有些頻率的光波不能通過，不能通過的頻段就是光子帶隙。由于帶隙的存在，頻率落在帶隙內的光不能在周期結構中傳播，那么當拿掉一行小孔后，光不能進入兩側的周期結構，只能沿著這個路徑傳播，就形成了光波導。如果在周期結構中去掉一個小孔，光同樣不能向周圍傳播，被束縛和局域在這里，就形成了光的微腔。這樣就有可能通過設計周期結構，進行能帶調控，來實現光的傳輸、局域等操作，把光器件的尺寸縮減到微納尺度。通過形成光子能帶，有效地調控光子，就是光子晶體。在光子晶體的基礎上，不僅調控光子而且同時調控聲子，以及光子和聲子相互作用，就可以形成光聲晶體。

“基于微納周期結構形成的這種人造晶體實現能帶調控，可以超越天然材料的固有屬性，極大地提升器件性能，或者形成新一代的功能器件。”崔開宇說，利用光聲晶體微腔可以同時局域和調控光子、聲子并操控其相互作用的過程，從而可將介觀/宏觀尺度的片上系統致冷至量子基態，即不含聲子的“超冷”真空態。不同于傳統的Doppler激光冷卻方案僅能實現單個原子的量子基態，光聲晶體微腔為實現片上系統的量子基態提供了可能，是迄今為止唯一的片上量子基態實現方案，必將引發量子控制、精密測量、量子信息領域的革命性飛躍。

目前，崔開宇及其研究團隊直接瞄準光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現展開研究，在該領域研究的初始階段高起點切入，力求從理論研究、設計實現到測試技術上取得關鍵性突破，在光聲晶體引發的新一輪腔光力學的研究和應用中取得引領性的科研成果。

針對同一周期結構無法同時優化對光子和聲子操控這一瓶頸問題，崔開宇提出異質結構光聲晶體的概念，即在同一個納米懸臂上套刻兩種周期結構，分別調控光子和聲子能帶，大大提升了聲子模式帶隙限制的頻率范圍。同時成功制備出這一創新結構，實驗測試結果證實了異質光聲晶體的有效性，聲子模式頻率提高至5.66GHz。相關工作發表于Nature Publishing Group旗下的學術期刊Scientific Reports，以及西部光子學（Photonic West）國際會議。“這是已報道一維光聲晶體微腔的最高聲子頻率。”崔開宇說。

為解決納米懸臂光聲晶體微腔輸入光耦合系統集成化這一關鍵問題，崔開宇提出了集成納米臂波導耦合的漸變孔光聲晶體微腔。不同于消逝場光纖垂直耦合的方法，這種集成端面耦合波導的光聲晶體微腔可以有效避免非集成、動態耦合給微腔帶來的擾動和無法實際應用的問題，在實現高效光聲耦合（1.16MHz）的同時，使光聲晶體微腔的集成芯片化成為可能。2015年，相關理論工作發表在Journal of Optics上，并入選了其網站主頁的研究亮點工作；第二年，實驗工作也發表于Scientific Reports。基于出色的科研工作，2017年崔開宇成為Scientific Reports的期刊編委（Editorial Board Member）。

“盡管基于光聲晶體的腔光力學研究展示出了極其美好的研究前景，但是其中的光子與電子、聲子的相互作用機制還處在基礎研究階段，將這些新機制最終應用并實現新的片上功能器件，尚有諸多的物理問題和技術難點有待探究。”崔開宇告訴記者，同時一口氣舉了好幾個例子，“比如，光聲晶體需要對光子和聲子同時進行帶隙調控和帶隙限制，此時什么是聲子空間局域和頻率選擇的理論極限和物理限制機理；針對不同的物理現象和機理，如何設計光聲晶體微腔進行相關的理論研究和實驗測試；實驗上如何制備出高品質的光聲晶體片上微腔系統；測試上如何降低環境擾動，測試出光聲晶體微腔中光波模式與機械振動/聲子模式耦合的多種物理現象；應用上如何利用新的物理機制實現片上功能器件等。”

目前，國際上僅有少數幾個研究組具備同時開展光聲晶體微腔的相關理論和實驗研究的能力。清華大學是國內較早開展光子晶體和量子信息基礎性研究的單位，目前已建立起了光聲晶體的設計、制作和測試平臺，為進一步深入開展光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現研究奠定了堅實的基礎。崔開宇于2010年從清華大學博士畢業后就一直在清華大學電子工程系任教。她認為，清華大學為她的工作提供了良好的環境，現階段開始啟動光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現研究的時機已經成熟。

“由于光聲晶體這一研究方向在國際上也處在剛剛起步階段，我們應該抓住這一難得的機遇，在該領域研究的初始階段切入相關基礎研究，有可能實現創新和跨越。”從光子晶體轉向光聲晶體，崔開宇清楚地知道自己即將面臨的門檻和挑戰，但她依然堅持。

崔開宇說，目前是互聯網時代，接下來將會是智能時代。在智能時代，許多器件要做到微納尺度。比如，機器人就需要很多輕巧的傳感器。而整個光聲晶體領域很大的一個潛力方向就在高精度智能傳感上。

“希望在理論研究、設計實現到測試技術方面取得關鍵性突破，在光聲晶體引發的新一輪研究中獲得具有自主知識產權的創新成果。”崔開宇坦言，她未來的工作計劃都將圍繞著光聲晶體。

現在，崔開宇已經是一個孩子的母親。“當了媽媽的人，工作和生活都要做好，很不容易。”崔開宇告訴記者，工作和生活，無論怎么平衡，都是要花時間的，她要盡量做到高效。