1 秒有多久？在 1967 年召開的第 13 屆國際度量衡大會對秒的定義是：銫原子兩個超精細能階間躍遷輻射 9192631770 次震盪所持續的時間。

原子鐘以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確，精確測量了 1 秒所持續的時間。從 NIST-7 銫原子鐘 600 萬年不差 1 秒，到 NIST-F2 銫原子鐘聲稱在 3 億年的時間內的誤差不會超過 1 秒鐘。

時間測量越來越精準，這背後離不開光學頻率梳的發展。

光學頻率梳是在頻譜上由一系列均勻間隔且具有相干穩定相位關係的頻率分量組成的光譜，這些離散的、等間距頻率的光譜就像梳子一樣，在計時、測距、微波合成和光譜學等領域有著重要應用。

“光頻梳是測量頻率和時間的尺子。” 這是劉駿秋深耕的領域。這位出生於 1990 年、剛畢業的博士生，被他的母校中國科學技術大學稱為 “科大少年班的 90 後驕子”，目前已經在該領域做出了舉世矚目的成績，研究成果四次發表在全球頂級學術期刊《自然》正刊上。

圖 |《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者劉駿秋

結合光電子技術和微波技術，突破訊號處理的瓶頸限制

當前，人類已經進入資訊社會，這其中的射頻及微波訊號的合成、分發和處理，在無線通訊、雷達等應用中無處不在。近年來，5G、物聯網等新興資訊科技的出現和發展，使得人們的生活方式更便捷更智慧，極大促進了工業生產和社會發展。

與此同時，隨著智慧裝置數量的快速增加和軟硬體功能的持續迭代，對通訊頻寬的要求也越來越高。如今低通訊頻段的頻譜也已十分擁擠，難以滿足未來通訊領域日益增長的需求。為了克服這一瓶頸，目前的解決手段是在更高的頻段中實現通訊，而這一解決方案可由微波光子學來提供。

微波光子學將光電子技術和微波技術結合起來，突破了當前訊號處理的瓶頸限制，使得高頻段的訊號合成、分發和處理成為可能。光學頻率梳是微波光子學的核心模組之一，它是一種具有穩定重複率的超短光脈衝，可提供數百條等距且相干的鐳射線，能精確對應梳齒線的頻率間隔。

“自首次實現光頻梳以來的二十多年裡，光頻梳對定義時間、光譜學、精密測量等起到了深遠的影響。” 劉駿秋介紹說。2005 年，諾貝爾物理學獎的一半授予 J. Hall 和 T. Hänsch，便是為了表彰他們在光頻梳技術的發明、發展和應用中起到的奠基性貢獻。

利用光頻梳，不僅可以製造光原子鐘以精確測量時間，也可以讓光纖通訊各通道之間的干擾減少，使單根光纖傳輸的訊號量增加幾個數量級。此外，光頻梳在氣體成分分析、全球定位系統 GPS、天體觀測、鐳射雷達等技術上也有廣泛應用。

可整合氮化矽晶片頻率梳

然而，如何實現小型化、低成本、可大規模生產的光頻梳仍是科學家探討的主要問題之一。“儘管光頻梳現在已經實現商業化，使用者可以直接購買光頻梳的小型裝置，但這些商業光頻梳裝置整體仍然十分複雜、龐大且昂貴。正因如此，當下光學領域一個非常重要的研究方向便是研究下一代小型化光頻梳。” 劉駿秋說。

目前光頻梳的實現主要有兩種：傳統的、成熟的方式是基於鎖模鐳射器實現的光頻梳；新興技術是基於微諧振腔和半導體鐳射器技術等實現的小型化和晶片級光頻梳。後者是唯一有希望真正實現晶片級整合化光頻梳的技術，但是距離大規模實用化仍然面臨諸多技術挑戰，處於進一步發展中。

2007 年，劉駿秋的博士導師 Tobias Kippenberg 教授首次實現在超低損耗、克爾非線性光學微腔內生成光頻梳（簡稱微梳）。緊接著，這些基於光學微腔的微梳被發現可以用來生成在微腔裡迴圈的、足夠穩定和相干的超短光脈衝 —— 耗散克爾孤子。

與基於傳統鎖模鐳射器的光頻梳不同，這種孤子微梳是一種在高品質光學微腔中利用非線性光學手段產生的光頻梳。

“一直以來，光頻梳都是透過鎖模鐳射器和非線性超連續來產生的。” 劉駿秋說，“由於光學微腔具有體積小、能耗低、造價相對便宜等優點，孤子微梳使大規模、低成本的光頻梳模組生產成為可能。”

近年來，透過利⽤半導體微納加工技術，光學微腔已經可以在整合材料中實現，例如積體電路製造中常用的氮化矽材料。因此，劉駿秋認為，基於氮化矽光晶片的孤子微梳已成為光頻梳的一項實現方案，甚至在未來有望成為主流平臺，使全晶片一體化的光資訊生成、處理、探測成為可能。

劉駿秋的研究工作正是聚焦於解決氮化矽光晶片微梳技術發展中的關鍵難題。在 2020 年 4 月 20 日發表於《自然 – 光子學》期刊上的研究中，劉駿秋闡述了由他開發和研製的氮化矽光子大馬士革工藝。這是一種創新和強大的 CMOS 半導體微納加工技術。

他表示，利用大馬士革工藝製備的整合氮化矽光路可達到 0.5 dB 每米光程的超低光損耗，是目前世界上所有整合光學材料中的最低記錄。同時，他在文章中演示了一個光頻梳的重要應用，即利用光頻梳生成低噪聲的微波訊號。

氮化矽光晶片的襯底是矽，其上是二氧化矽，鍍層使用的材料是氮化矽。氮化矽是一種已在 CMOS 微電子電路中使用的材料，並且在最近十年中廣泛用於構建光晶片上的超低損耗微諧振腔和複雜網路。

劉駿秋介紹，氮化矽整合波導將光限制和引導在微米到奈米尺度的結構上，其製造過程是一套完整的 CMOS 工藝，包含四個步驟：器件模擬設計、微納加工、器件測試和封裝。四個步驟形成一個閉環反饋。

首先需要透過仿真確定微納結構的尺寸以及結構，並分析光在這種結構中的傳播特性。他介紹說，光頻梳的結構比較簡單，在直波導結構中透過把光纖把光耦合進光晶片，高耦合效率對應低耦合光損耗。

然後使用專業的軟體或 Python 將晶片的平面結構繪製出來，同時需要和光刻機的解析度相容以便進行微納加工。在加工製成後，測試光纖到晶片的耦合效率、微腔的光損耗以及色散性質。測試結果及時反饋到設計和工藝上，促進有針對性的改進。反覆幾個流程，晶片器件的表現達到最優。

“我們現在做的氮化矽非線性波導的損耗是全世界最低的，我們可以將其與半導體鐳射器結合在一起，因為鐳射器的輸出功率是有限的，如果氮化矽的損耗不夠低，孤子微梳是不可能在有限的功率下產生的。” 劉駿秋在今年早些時候接受 DeepTech 採訪時說。

結合氮化矽光晶片的混合整合光頻梳模組還可應用於多個領域，例如資料中心中的收發器、光原子鐘、光學相干斷層掃描、微波光子學和光譜學。

劉駿秋曾在採訪中提到：“我們創新地採用了深紫外步進式光刻、幹刻蝕、化學氣相沉積、化學機械拋光等技術用於氮化矽波導的製造，所產出的晶片波導損耗遠低於傳統的微納加工技術，並使得大規模商業化生產成為可能。

基於氮化矽微腔的整合頻率梳是構建高純度通訊光源和超低相位噪音微波振盪器的關鍵模組，而大規模、複雜的氮化矽線性網路可以廣泛使用在未來的整合化的相控陣鐳射雷達、量子計算和光神經網路等應用中。”

劉駿秋的研究成果不限於此。他在國際上首次實現孤子微梳的重複頻率低至 10 千兆赫茲（GHz），可在大容量相干光通訊和超低噪聲微波訊號生成等技術上有關鍵應用。

他在國際上首次實現基於壓電氮化鋁材料和氮化矽晶片的單片整合，開創性的結合整合光學與微機電系統（MEMS）技術，實現孤子微梳的高速整合聲光調製，相關結果 2020 年 7 月 16 日發表在《自然》期刊上。

劉駿秋研發和製備的氮化矽晶片也已被用在數個關鍵技術中，包括天體光譜儀校準、平行多通道相干光學雷達、中紅外雙梳光譜、光神經網路和光學相干斷層掃描。同時，這些氮化矽晶片也被用於數個國際合作中，合作者包括著名研究機構和工業界領先的技術公司。

此外，由他研發的氮化矽微納加工技術以及相關的設計、模擬、測試和封裝技術已被技術轉移至數家新創公司，這些公司目前致力於商業化氮化矽晶片以及基於氮化矽的光科技產品。

工匠精神

儘管已在氮化矽光晶片微梳技術方面取得諸多成績，30 歲的劉駿秋卻稱 “自己不是最優秀的學生”。劉駿秋本科畢業於中國科學技術大學少年班。在中國，提到 “中科大少年班”，大家幾乎都會聯想到 “天才” 二字。

（圖 | 基於劉駿秋製備的氮化矽晶片現已實現的技術）

對於自己在科研上的表現，劉駿秋認為用 “工匠精神” 來形容最為準確。“沒有人會用工匠精神來形容一個天才，大部分情況下工匠精神是用來形容平凡人的，對吧？” 劉駿秋說。

本科畢業後，劉駿秋未能如願申請到理想的美國名校研究生專案。“我在科大時不是最優秀的學生。本科畢業時，我想去美國攻讀博士學位，申請了兩年都沒有獲得心儀學校的青睞。優秀的學生太多了，相對而言，我沒有那麼突出。” 他回憶道。這使劉駿秋一度懷疑自己是否適合做科研。

“很長一段時間，我的心情都很低落。但是沒有辦法，這就是現實。能做的就是把未來的路走好。” 儘管如此，求知慾和好奇心還是支撐他在科研道路繼續前行，他最終選擇去德國埃爾朗根 - 紐倫堡⼤學繼續學業。這所學校在光學領域享有世界級的聲譽，同時也是 MP3 格式和西門子的發源地。2016 年，劉駿秋以光學專業排名第一的成績畢業並獲得榮譽碩士學位。

保持求知慾、保持好奇心、放低姿態，這成為他以後科研生涯的底色。“楊振寧先生說過，做科研需要 Perspective（觀點），Perseverance（毅力）和 Power（力量）。這句話一直是我的座右銘。”

劉駿秋的博士研究工作主要是半導體微納加工，而他此前並沒有接觸過這方面的研究。“一開始我在課題組內其實處於一個比較邊緣的位置。” 他說。

他幾乎參與了氮化矽光晶片製備的全流程，“因為這裡有很多重複性的工作。” 這些重複性的工作要求每一步微納工藝步驟都必須完美，意味著不斷的推倒重來。

“超淨間微納加工的工作是比較幸苦的，因為這個工作要求長時間待在超淨間，不能上廁所，不能喝水，也不能用手機。經常還要晚上或者週末過去，因為一些儀器只有在這些時間可以使用。”

劉駿秋承擔了這個工作，並且很快就做出了讓導師和課題組認可的成績。他說：“我並沒有認定自己一定要做大科學，而是把姿態放得比較低。這個工作需要我來承擔，需要我去做貢獻，那我就把它做好。我就是這樣想的。

他在研究過程中受到過不少質疑，同事曾毫不客氣地說：“你做的這個專案是不可能成功的，你非常天真。” 不過，嚴謹的科學態度讓他保持正確的方向，強大的信念和踏實讓他堅持下來。

劉駿秋認為，好的工作需要在不斷的重複中思考如何完善，就像他的愛好健身一樣，“想讓肌肉長得更快，不僅僅是要常去鍛鍊，更重要的是思考正確的訓練方法。”

將先進知識和前沿技能帶回國

劉駿秋本科論文的研究內容是冷原子量子模擬，碩士學習課程主要是鐳射技術和光纖光學。這兩個學科中國在世界上都處在領先地位。

在選擇去往瑞⼠洛桑聯邦理⼯學院（EPFL）攻讀博士學位前，劉駿秋就已經有了自己的 “初心”。“在德國讀書期間，我認識到，我應該學習一些國內相對空缺或者薄弱的學科…… 結合當時我個人的一些興趣，我申請了當時歐洲最頂尖的幾個研究組，並最後決定加入 EPFL 開展我的博士論文研究。” 劉駿秋回憶。

“未來，我渴望將我這些年在國外學習的先進知識和前沿技能帶回國，在國內建立起這樣一套完整的技術。我非常有信心能實現這一目標，並在此之上探索新的研究領域、發展新的核心技術，希望未來能將我研發的成果運用在我國通訊、微波、量子計算、晶片整合光原子鐘等關鍵技術領域。” 他說。