近日，香港城市大學團隊提出了針對各向異性光學材料的漸變型光子晶體環形諧振腔結構模型，並在奈米薄膜鈮酸鋰中實現了光學模式劈裂的精確控制，這在全球範圍內尚屬首次。
在此基礎之上，他們在特定光學模式之中引入劈裂以及微波射頻調製，構建了合成頻率維度以及頻率鏡子，實現了針對電光頻梳產生過程的精密調控。這種基於漸變型光子晶體環形諧振腔結構的合成維調控技術，在世界範圍內也是首次。
圖 | 相關論文的第一作者張珂（來源：張珂）
據介紹，這篇論文的學術意義大於應用意義，主要體現在三個方面：
其一，該團隊提出並實驗驗證了一種新的結構模型，使得各向異性材料光譜諧振頻率的區域性調控成為可能，這會極大地促進各向異性光學材料在非線性光學和量子光學等領域的發展；
其二，基於這種嶄新結構的合成維以及頻率鏡子的構建，為高維物理和拓撲物理等基礎研究提供了優秀的實驗平臺；
其三，“奈米齒輪”的區域性調製強度僅為 10 奈米，這意味著光晶片結構的寬度差需要達到 10 奈米的精度。
晶片加工對於鈮酸鋰來說歷來是一個難點，而這篇論文表明他們對於鈮酸鋰材料的加工已經達到新的高度。
當然本次成果也有一定的應用意義。目前最有可能實現應用的是高平坦度的寬頻電光頻率梳鐳射源，進而能被用於高速光通訊、鐳射雷達、經典及量子光計算等領域。
（來源：Advanced Materials）
從“光學矽”的美譽說起
光學微諧振腔是一種常見的光學結構。在這種結構中，特定頻率的光子被束縛在微腔中併產生諧振。
由於其顯著增強的光子與物質間的相互作用，光學微腔在感測、非線性光學、量子光學等領域有著廣泛的應用。
基於迴音壁模式的傳統光學微腔，其諧振頻率一般是近似等間距分佈的。這種特性雖然為基於微腔的光頻梳產生等應用帶來了便利，但同時也讓獨立調控諧振頻率變得異常困難。
而這種獨立操控的能力是改造微腔色散的重要工具，在非線性光學參量過程、光頻梳光譜的任意整形、以及複雜的合成頻率維度構建等方面都有重要應用。
目前，針對諧振頻率的區域性調控，主要採用光子晶體環形諧振腔結構。
透過在微環腔內壁引入週期性結構，就像齒輪結構一樣，可以實現特定光學模式的劈裂，從而達到諧振頻率的可控調節。
近年來，這種結構已經在很多平臺上實現，例如氮化矽、氧化鉭等各向同性光學材料。
美國國家標準及技術研究所、以及美國馬里蘭大學團隊這方面產出了很多優秀工作，並展示了光子晶體環形諧振腔結構器件在非線性光學和克爾頻梳光譜整形等方面的應用。
然而，光子晶體環形諧振腔結構器件在各向異性光學平臺卻並未見諸報道。
這是因為各向異性晶體的折射率，當沿著不同晶向的時候會發生變化。而光子晶體環形諧振腔結構這種簡單的週期性結構，會在不同晶向位置對應著不同的光學模式，導致設計光子晶體環形諧振腔結構器件變得尤為複雜。
這就像是一把雙刃劍：各向異性雖然為設計引入巨大困難，但也為材料本身帶來了各向同性材料通常所不具備的優秀特性。
例如鈮酸鋰，它有著“光學矽”的美譽，是製作各類高效能電光、非線性、聲光器件的最佳材料之一，其優良特性正是得益於材料本身的各向異性。
因此，在各向異性材料上實現類似光子晶體環形諧振腔結構結構，將會極大地擴充套件各向異性材料的應用範圍。在這種背景之下，該團隊開展了本次研究。
（來源：Advanced Materials）
跑步時的“攝影師之眼”
研究伊始，他們主要以理論計算和模擬驗證為主，後面則以晶片加工和實驗驗證為主。期間，他們設計了將近 500 種不同引數的齒輪結構，累計加工 1000 多個齒輪結構器件，並對它們進行測試。
依據大量實驗資料，他們針對模擬模型、晶片設計和加工引數，進行了多次最佳化和迭代，最終得到了理想的模擬模型和實驗結果。
期間，他們也曾嘗試開展關於構建合成維度的實驗。但是，其中很多機理和細節，他們並沒有完全搞清楚。
“考慮到晶片設計的諸多細節以及加工難度，我認為這個實驗不能速成，所以幾次跟王老師說‘需要時間’‘做不了’。最終，我們決定把這個實驗拆分出來，後續再做。”本次研究相關論文的第一作者張珂表示。
隨後，在處理資料和完善實驗結果的同時，他們開始針對已有成果寫論文。
在論文投稿時，審稿人認可了本次成果的領先性，但也指出本次研究缺乏更多的應用內容，因此受眾面窄、影響力不夠，所以初審意見是一致拒稿。
張珂表示：“收到審稿意見之後，我和導師教授以及論文共同一作陳逸堃博士生進行了討論。我們一致認為需要做一些應用，來讓這個成果更有說服力。”
考慮到在非線性光學、以及光頻梳整形上，光子晶體環形諧振腔結構的應用已有先例，於是他們決定採用光子晶體環形諧振腔漸變結構，在各向異性材料上構建合成頻率維度以及頻率鏡子。
這也和張珂的博士研究課題《基於奈米鈮酸鋰晶片的電光頻率梳產生》有著高度相關性。然而，合成維度頻率鏡子的構建是一項異常艱鉅的工作。
“這項實驗本身太過於物理了（too physical），理論和實驗都很難。目前有斯坦福大學 教授團隊和哈佛大學 教授（教授博士生導師）團隊實現過。”張珂說。
前人的這些工作都很棒，但是都無法實現頻率鏡子的精準控制。而本次研究中的基於光子晶體環形諧振腔結構的晶片方案，無論是在整合度上還是原理上，都更具有優越性。
幸運的是，他們僅用兩個月就補完了實驗，但是補實驗的過程或許可以用煎熬來形容。
張珂說：“當時我們面臨的困境是，合成維實驗仍舊一頭霧水，許多機理和細節仍然沒搞清楚。而且晶片從設計到加工有許多變數，每個變數又有很多不用選擇。”
這就導致最終方案有幾百種，而他們只有兩個月和幾輪晶片加工的時間。這時，張珂必須從眾多方案中做抉擇。
當時，他做了幾項調整：
首先，用三週時間來標定和調整晶片加工過程中的各項引數，同時只做一輪晶片進行前期引數驗證。這看起來很奢侈而且是浪費時間，但事實證明這個決定為後來的實驗“一遍過”奠定了基礎。
其次，減少工作時間。那幾周張珂用很多時間來打球、跑步以及獨處思考，希望從紛繁複雜的引數和變數中找到關鍵因素。然而三週快過去了，他還是沒有任何頭緒。
事情的轉機發生在第三週週末。那個下午他在學校邊的公園一邊慢跑一邊看周圍景色。花草、樹木、建築、夕陽。很美，但不夠完美。但是當他跑到一個特殊位置時，這些不夠完美的事物竟然組成了一幅非常和諧的畫面。
“圈內人一般叫做‘攝影師之眼’。我停下來看了一會兒，突然意識到之前的實驗環節我抓錯了主要矛盾：太過於注重每個環節或者引數的完美而忽略了它們是一個整體。這其實就是錢學森錢老系統論的基本思想。”張珂說。
於是，當他又重新站到全域性的角度來思考，很多事情就豁然開朗了。接下來的兩週他們設計、加工、測試晶片，實驗很順利，也成功構建了基於新結構的合成維以及頻率鏡子。
“可以說那段時間的獨處和思考給了我很多幫助，這和我前幾天看的書《lead yourself first》中的很多觀點不謀而合。”張珂表示。
對於新版本的論文，審稿人也非常滿意，同意接收發表。日前，相關論文以《各向異性鈮酸鋰晶體中光學微諧振器的光譜工程》（）為題發在 Advanced Materials[1]，張珂博士是共同一作兼共同通訊，博士生陳逸堃是共同一作，教授擔任共同通訊。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
命運的齒輪從 6 年前開始轉動
據瞭解，張珂是河南南陽市桐柏縣人。對於自己的學習經歷，他直言：“我的學習經歷挺平平無奇的，沒什麼亮點成績，甚至有些野路子，大家不要學我。”
他繼續說道：“高考發高燒，去了北京科技大學冶金系。本科期間經常去圖書館看各種感興趣的書，對我來說興趣是最好的老師。碩士轉去學習電化學方向，主要就是燒爐子，期間做過釩鈦磁鐵礦鈦提取，也做過月球製氧。”
碩士畢業之後，他申請到了英國等不同地區的 offer。2018 年，他目前的導師離開哈佛大學前往香港城市大學擔任助理教授，並在微博釋出招生廣告。
“我的碩士室友恰巧愛刷微博然後就轉發給我。當時看不懂老師的研究方向，但是感覺很有意思，就郵件聯絡了他。後來我們聊了幾個小時，他給我簡單介紹了鈮酸鋰奈米光子學，我還是不懂，但表示聽著很有趣，可以學習。一個敢報，一個敢收。”張珂說。
後來，給張珂開了一個書單讓他自學，涵蓋電磁波與電磁場、電動力學、量子力學、光子學、半導體制造技術等課程。
“我也真的看了。香港這邊就是從零開始，開局只有一個老師、兩個學生以及一個很小很空的實驗室。但是，千里之行始於足下。從最開始加工的光晶片損耗太大通不了光，到現在我們可以做不同功能的整合晶片，實驗室就這麼一步步地搭起來，一步步地壯大，這才有了現在的規模。”張珂說。
博士畢業之後，張珂繼續留在同課題組擔任博士後研究員，主要研究奈米鈮酸鋰整合光子學、電光頻率梳、晶片微納加工等，可被用於高速光通訊、光互聯、精密測量、生化感測、量子計算、6G 通訊和毫米波等領域。眼下，張珂正致力於將這些成果進行轉化。
對於自己所研究的鈮酸鋰，張珂表示鈮酸鋰一直都是效能優秀的光學材料。
傳統鈮酸鋰器件加工是基於離子注入或者質子交換，並沒有充分發揮鈮酸鋰材料的潛力。簡單來說，大家都知道這個材料很好很重要，但是都不知道怎麼用。
2017 年，當時還在哈佛大學的博士、博士（現為初創公司 的 CEO），在馬爾科·隆查爾（）教授指導下，開創了基於氬離子物理幹法刻蝕的薄膜鈮酸鋰微納加工工藝，其超低的光學損耗使得薄膜鈮酸鋰光子整合晶片成為可能。
隨後，等人研發出了互補金氧半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）驅動的低電壓整合鈮酸鋰調製器、以及超寬頻電光頻梳，相關論文都發表在 Nature 正刊上。
圖 | 教授（來源：課題組主頁）
“這三篇論文徹底帶火了薄膜鈮酸鋰。現在有不少課題組都在研究薄膜鈮酸鋰，很多工作都很漂亮。當年我並沒有意識到這一切，所以命運的齒輪從 2018 年就開始轉動了，這才有了現在的鈮酸鋰奈米齒輪的工作。”張珂博士表示。
不過，本次研究只是該課題組所有成果中的一個小拼圖。整體來看，他們專注於研發各種奈米薄膜鈮酸鋰整合光子晶片。相關晶片的成果轉化工作也在同步進行中。
“希望我們研發的鈮酸鋰晶片對於業界和社會也有積極的貢獻，而不是僅僅侷限在學術領域。”張珂表示。
參考資料：
1.Zhang, K., Chen, Y., Sun, W., Chen, Z., Feng, H., & Wang, C. (2024). Spectral engineering of optical microresonators in anisotropic lithium niobate crystal.Advanced Materials, 2308840. https://doi.org/10.1002/adma.202308840
2.https://www.ee.cityu.edu.hk/~cwang/index.htm
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