31歲海歸博士“載”芯回國(guó)，曾首次實(shí)現(xiàn)200mm晶圓微腔光頻梳大規(guī)模量產(chǎn)，成本比正常硅芯片低100倍 | 專訪

這可能是常林最后一次以加州大學(xué)圣芭芭拉博后研究員身份發(fā)表的論文。不久之后，這位來自中國(guó)煙臺(tái)的 31 歲科學(xué)家，即將成為國(guó)內(nèi) Top 高校的一名科研工作者。

2013 年，他剛從山東大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)讀完本科。畢業(yè)后申請(qǐng)留學(xué)時(shí)，盡管拿到了許多常青藤名校的 offer，但他不怎么看重學(xué)校名氣，更在乎其半導(dǎo)體專業(yè)是否厲害。最終，加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）半導(dǎo)體專業(yè)吸引了他，該系曾誕生過多位 “芯片領(lǐng)域‘諾獎(jiǎng)’級(jí)” 人物。在那里他待了 8 年，并在該校光子芯片實(shí)驗(yàn)室里，完成了博士和博后的全過程 。

2021 年 5 月，其擔(dān)任共同第一作者的論文《基于 CMOS 工藝的 超高 Q 微腔的赫茲線寬半導(dǎo)體激光器》“Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators” 發(fā)表在 Nature Photonics 上。

光子芯片或迎來 “革命性突破” 時(shí)刻

常林表示：“50 多年前，光纖的發(fā)明成功將當(dāng)時(shí)廣泛使用的玻璃纖維的損耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而讓超遠(yuǎn)距離的光通信成為可能，并借此開啟了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新紀(jì)元。而低損耗光學(xué)傳輸?shù)馁惖溃惨蜒由斓叫酒瑢用妫汗庾有酒?，這一被譽(yù)為‘超越摩爾定律’的下一代芯片的核心技術(shù)，借助本次成果的宣布，也迎來了革命性的突破時(shí)刻。”
研究中，他和合作者們實(shí)現(xiàn)了目前全球損耗最低的光子芯片波導(dǎo)，成功將此前記錄降低一個(gè)量級(jí)以上。并基于該平臺(tái)的超高品質(zhì)因子微腔（Q 值），研發(fā)出全球首個(gè)完全基于 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，一種制備大規(guī)模集成電路芯片的技術(shù)）產(chǎn)線的大規(guī)模生產(chǎn)的光頻梳。

光子芯片技術(shù)是通過在微納尺度對(duì)光進(jìn)行操控，進(jìn)而施行信息處理的新一代芯片技術(shù)。其中，光的引入可極大提升信息傳輸?shù)膸?、速度和抗干擾能力。然而多年來，波導(dǎo)傳輸損耗 —— 一直是光子芯片技術(shù)未攻克的難題。
常林告訴 DeepTech，相比半導(dǎo)體電子芯片，對(duì)光子芯片來說損耗是最重要的指標(biāo)。故此，本次成果具體能帶來兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：
其一，在線性層面上，可讓一個(gè)光子芯片系統(tǒng)上容納更多器件。有別于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片系統(tǒng)中限制其器件數(shù)量的并不是制程而是損耗，因?yàn)楣庾有酒某叨雀?，但它的損耗補(bǔ)償機(jī)制存在很大的困難。
此前，單一芯片上承載的器件數(shù)目，完全被芯片的損耗所制約。而現(xiàn)在，硅光常用的波導(dǎo)是基于硅的波導(dǎo)，損耗一般在 dB/cm 的量級(jí)，因此在一個(gè)系統(tǒng)里可支撐最多幾百個(gè)器件。如果添加更多器件，光子芯片的信號(hào)就會(huì)非常微弱從而不可探測(cè)。
而本次實(shí)驗(yàn)的成果，成功將波導(dǎo)損耗降低到了 0.1 dB/m 以下，從而可以使同一個(gè)系統(tǒng)可容納成千上萬(wàn)的器件。對(duì)此，常林表示：“打個(gè)比方，就像 CPU 的制程從晶體管到 5nm 工藝的集成芯片所經(jīng)歷的發(fā)展一樣，光子芯片集成度的提升將帶來性能上的飛躍。”
其二，在非線性層面上，光子芯片中有一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)叫微腔，它通常呈現(xiàn)出閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此能讓光子在芯片中震蕩。說到這里，常林打比方說，假如敲打一面鑼，一般鑼會(huì)震蕩很長(zhǎng)時(shí)間，如果在震蕩期間把手放在鑼上，它很快就會(huì)停止震蕩。
對(duì)光子芯片來說，損耗決定著它的震蕩時(shí)長(zhǎng)，若能在微腔中把損耗做得極低，就能延長(zhǎng)光子的壽命，從而提高非線性效率。
研究中，常林和合作者們把之前波導(dǎo)最低損耗的前世界紀(jì)錄降低了一個(gè)量級(jí)以下，這遠(yuǎn)低于其他光子芯片平臺(tái)。而基于這種低損耗波導(dǎo)形成的微腔，其 Q 值可達(dá)兩億七千萬(wàn)。
無(wú)縫轉(zhuǎn)移到大規(guī)模產(chǎn)線，成本低于正常硅光芯片 100 倍左右
自光子芯片誕生以來，降低損耗便貫穿于它的整個(gè)發(fā)展史。而傳統(tǒng)光學(xué)中的最大突破便是光纖的誕生，光纖也是目前地球上損耗最低的光傳輸介質(zhì)。由于其使用的介質(zhì)是二氧化硅（石英），因此科學(xué)家們自然會(huì)聯(lián)想到，如果把石英放到光子芯片上，或許也能帶來極低的損耗。
但是該設(shè)想的問題在于，石英的折射率非常低。而對(duì)于光子芯片來說，它比光纖的尺度要小很多，因此光要被牢固限制在較小的區(qū)域內(nèi)。這時(shí)，單純依靠石英來進(jìn)行波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，就會(huì)難以完成目標(biāo)。
為此，常林與合作者們?cè)O(shè)計(jì)出一種方案：盡量讓光分布在二氧化硅中，但同時(shí)又能有較高折射率的材料來作為光子芯片的核心。最終，他們采用超薄的氮化硅核心與二氧化硅包層的結(jié)合的方式來形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

在該結(jié)構(gòu)中，光的模式的在 90% 的以上可分布在二氧化硅中，如此可極大降低光子芯片的損耗，同時(shí)超薄氮化硅可給波導(dǎo)提供一定的限制，從而實(shí)現(xiàn)較小的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
此前，很難使用光子芯片來做超窄線寬的激光器，因?yàn)楣庾有酒瑹o(wú)法像光纖那樣提供較低的損耗反饋，所以它的激光器噪聲比較大。
利用本次平臺(tái)，常林與其團(tuán)隊(duì)做了一款超窄線寬的激光器。對(duì)于冷原子鐘等高精尖應(yīng)用來說，之前的光子芯片激光器很難達(dá)到所需求的精度，而在本次超窄線寬激光器中，他們把低損耗的諧振腔和商用芯片激光器進(jìn)行集成，然后利用自注入鎖定的形式，以此實(shí)現(xiàn)線寬為一赫茲的激光器。常林表示，這也是目前噪聲最低的集成激光器，可用于成冷原子鐘，以及精密測(cè)量等。
說到這里，就不得不提光頻梳（光學(xué)頻率梳，OFC），雖然它已 “走紅” 十年有余。但受制于成本，光頻梳的產(chǎn)業(yè)化仍存在較大問題。最本質(zhì)原因在于，此前光頻梳的制備要將 CMOS 工藝添加不少特殊步驟，成本和產(chǎn)率自然會(huì)受影響。
而該團(tuán)隊(duì)的方案簡(jiǎn)單又便宜，他們做出了全球首個(gè)可在 CMOS 產(chǎn)線中大規(guī)模流片的光頻梳，首次實(shí)現(xiàn)了 200 mm 晶圓上的微腔光頻梳的大規(guī)模量產(chǎn)，成本低于正常硅光芯片 100 倍左右。
可用于激光雷達(dá)和量子計(jì)算等，2-3 年即可落地到終端用戶
談及超薄氮化硅核心與二氧化硅包層的結(jié)合的方案，常林說這要從五六年前說起，當(dāng)時(shí)他所在研究組通過在 UCSB 的超凈間進(jìn)行的工藝研發(fā)，發(fā)現(xiàn)使用該方案做出的器件性能優(yōu)越，而兩年前位于美國(guó)的一家知名光子芯片公司對(duì)該方案也很感興趣。
雙方一拍即合，開始了其產(chǎn)業(yè)化的探索，把在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室做的工作，轉(zhuǎn)移到大規(guī)模芯片產(chǎn)線上。他表示，一般發(fā)表在 Nature、Science 上的論文，往往需要十年以上才能在工業(yè)產(chǎn)線落地。而本次學(xué)術(shù)成果的轉(zhuǎn)化之快，讓其感到頗為自豪。
在把成果轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)流程后，光子芯片的性能、產(chǎn)率和成本也得到了提高。他說，2-3 年內(nèi)消費(fèi)者就能買到相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)。
事實(shí)上，一旦損耗降低，幾乎所有光子芯片的系統(tǒng)性能都可得到提升。以激光雷達(dá)為例，光子芯片可實(shí)現(xiàn)電子芯片不具備的能力。通常來講，激光雷達(dá)需要大規(guī)模的相控陣列，而光子芯片的損耗越低，相控陣列就越大，那么激光雷達(dá)芯片的精度就越高。
常林告訴 DeepTech，該平臺(tái)還能結(jié)合量子發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢(shì)，以最近激動(dòng)人心的我國(guó)中科大研究人員引領(lǐng)的光量子計(jì)算為例，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來說，損耗是一個(gè)更重要的參數(shù)。因?yàn)榉糯笃鳠o(wú)法放大光量子信號(hào)，但放大卻是唯一的可彌補(bǔ)損耗的方式。因此，對(duì)于量子芯片來說，無(wú)法實(shí)現(xiàn)放大就必須降低損耗，而借助本次成果，光量子的芯片方案可在片上實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。
此外，由于光子芯片的成本比較低，因此所依賴的設(shè)備要簡(jiǎn)化很多，落地也更簡(jiǎn)單。所以常林非常希望促成該平臺(tái)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。
而本次選擇回國(guó)，原因之一也是看到中國(guó)光子芯片產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)務(wù)。他說，2013 年自己剛開始讀 PhD，那時(shí)中國(guó)只有零星的光子芯片產(chǎn)業(yè)。如今八年過去，中國(guó)很多城市的光子芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。同時(shí)，讓他非常感到自豪的是，新一代的中國(guó)青年學(xué)者們?cè)陧敿夤庾有酒难芯恐性絹碓匠袚?dān)起來支柱的力量。
常林表示，“這個(gè)工作中得益于我們和加州理工的許多中國(guó)青年科學(xué)家們的合作，特別是現(xiàn)任職于北京大學(xué)的楊起帆研究員，我們之間的緊密合作讓我對(duì)未來中國(guó)研究者們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)充滿了信心?！?/span>
他說，國(guó)內(nèi)光子芯片正以跨越之姿飛速發(fā)展，而他在留學(xué)期間做的成果，亦是為了走出實(shí)驗(yàn)室、結(jié)果于產(chǎn)業(yè)界。
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