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电子科大姚佰承《自然》发文:拨频为梳,授时以尺,流光方寸,操控瞬息
爱因斯坦 2018-06-13
导语

“就像给电视机装个盒子,以前只能看中央一台,现在可以看上百个台了”。

6月12日,国际顶级期刊《自然》 (Nature)上刊发研究成果《基于石墨烯-氮化硅谐振腔的电光可调频率梳》(Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators)。电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室青年教师姚佰承博士为论文第一作者兼通讯作者,饶云江教授为共同作者,电子科技大学为通讯作者单位。这是电子科技大学首次在《自然》上发表研究成果。电子科技大学新闻中心专访了姚佰承博士和饶云江教授,分享他们面向光频梳这一世界科技前沿领域,与国际同行通力合作、潜心研究,实现创新突破的背后的故事。

在信息爆炸的时代,每天都有海量数据被遍布全球各地的设备发送和接收。如何确保这些数据流准确而有序地到达?光频梳技术的问世,让激光授时的精度和可靠性得到了质的提升,也为解决这一问题提供了新路径。

作为摘得诺贝尔物理学奖的技术,光频梳被称为“万能时钟”,因在频域上具有相等频率间隔的光学序列,形似均匀间隔的梳子而得名,其谐振频率能达 到上百GHz乃至THz,理论上数亿年才会出现一秒误差,已成为当代信息器件和系统的基石之一,是精确制导、航空航天、信号处理、量子计算等领域的核心器 件,也是未来信息网络发展不可缺少的关键技术。

作为一项复杂的系统工程和最前沿的研究领域,光频梳研究涉及到先进材料制备、微纳米加工、激光激发和调控等环节,美国和欧洲的顶级研究机构一直 是其中的引领者。但目前现有的光频梳设备几乎都受限于它的核心部件——谐振环。谐振环一经制成,一般不可调控,这在一定程度上限制了光频梳的普及,使它的 实用价值大打折扣。

△姚佰承博士

然而,电子科技大学科研工作者们和美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)、英国剑桥大学、新加坡微电子研究院的合作者们通力合作,攻克了这一难题。6月 12日,国际顶级期刊《自然》上刊发论文《基于石墨烯-氮化硅谐振腔的电光可调频率梳》。论文第一作者兼通讯作者为电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室青年教师姚佰承博士,其博士生导师饶云江教授为共同作者。该论文通过谐振腔环集成单晶石墨烯半导体异质结,实现了光频梳的大范围可调,并展示了丰富的多孤子态输出。这也是电子科技大学首次在《自然》正刊上发表研究成果。他们通过石墨烯异质结,操控谐振环的色散,突破谐振环材料和结构限制,让一个器件就能展现丰富的输出,实现了光频梳的大范围可调,并展示了丰富的多孤子态输出,在光频梳研究中实现了新的突破。姚佰承打了个形象的比方:“就像给电视机装个盒子,以前只能看中央一台,现在可以看上百个台了”。

▍1+1>2,在美国建一支中国科研队伍

从本科到博士,姚佰承均就读于电子科技大学传统优势学科——信息与通信工程,师从光纤传感领域著名学者、长江学者、IEEE/OSA/SPIE Fellow饶云江教授。

2015年,在国家留学基金委全额奖学金和“光纤传感与通信”创新引智基地“111计划”资助下,姚佰承作为国家公派联合培养博士,带着电子科技大学的合作方案,前往美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)开展学习研究,师从光子学领域著名学者、OSA Fellow、华裔科学家C. W. Wong教授。“石墨烯和光频梳本身都是诺奖成果,石墨烯可调,光频梳稳定,一动一静,二者结合,开出新花。”姚佰承这样介绍自己的创意,“我们做的就是 让1+1>2。

姚佰承在美国的研究之路并不是从一开始就一帆风顺,课题难度高、缺少材料、没有帮手随时都在考验着这位“非正编”的联合培养博士生。在UCLA 的前三个月,姚佰承一直在寻找材料领域的合作伙伴,但都遇到了挫折。这个选题复杂而困难、核心而敏感,多个美国人主导的课题组都婉拒了这位中国年轻人的合作建议。终于,在Wong教授的支持下,姚佰承得到了UCLA材料化学和微加工权威科学家、华裔教授段镶锋课题组的全力帮助。回忆起这段经历,姚佰承说, “段老师的肯定和支持真是让人喜出望外,终究还是中国人帮中国人,还是1+1>2”。

随后,姚佰承以超越年龄的领导力与推进力,在美国大学里,撮合起了一支中国人作为绝对主力的科研队伍:4名论文共同第一作者,3人来自中国。除 了姚佰承,还有来自中国台湾的黄书伟博士和毕业于浙江大学的刘渊博士。姚佰承负责设计实现,刘渊专攻纳米加工,黄书伟擅长系统测试,三人的精诚合作,大大加快了研究进程。

▍跨越12个时区,与竞争者赛跑

强强联合展现出极高的工作效率。开始研究9个月之后,漂亮的可调光频梳展现在他们面前。2017年2月,联合课题组将这一发现整理下来并向《自 然》投稿。但是,向来以严格著称的《自然》并没有在第一次就给中美联合课题组亮起绿灯。审稿人充分肯定了这一工作的重要性,但是他们也坚持认为,论文还没有完整证明光频梳孤子态调控过程。

孤子,是一种沿着空间传输永不变形的脉冲,具有极高的稳定性,极具研究价值。在谐振环中,展现一种孤子态已经实属不易,要同时展现多个孤子状态,还要论证其控制机理难度极大。《自然》的评述表示,“我们知道寻求可控孤子状态非常困难,但《自然》作为最好的期刊,当然希望报道最非凡的成果。”

收到《自然》意见时,姚佰承已经在英国剑桥大学担任博士后研究员,参与研究的原班人马也已大多离开UCLA,论文第一稿的四位共同第一作者甚至分散在了中美英三个国家。短时间内完成这一挑战,似乎已经不太可能。

但面对这样一个重要的机会,全世界的竞争者让他们难以喘息。此时,剑桥大学、都灵大学联合课题组也正在向可调光频梳激光发起冲击;瑞士联邦理工学院和美国加州理工学院,在谐振环上集成了类似于石墨烯的硒化钨,也进展神速。

要想脱颖而出,就必须克服万难。这支以中国人为核心的团队,再一次展现出了超常的凝聚力。跨越12个时区意味着一个人的白天,就是另一个人的深 夜,他们接力赛跑,全力推进。论文的第四位共同第一作者Vinod博士来自印度,他甚至也装上了微信,同步和中国同事们“零延迟”交流。

△可调光频梳的多孤子输出

在接下来的8个多月里,他们瞄准《自然》所期盼的“非凡”,不断努力。从推导可调光频梳的演化过程,制备原子级精度的单晶石墨烯器件,到测量复杂的孤子分布,最终,可控的多孤子输出像彩色画卷一样呈现在研究者面前,从图灵态到混沌态,再到孤子态,以及全新的孤子晶体状态,光频梳的演化过程完整而清晰,前所未有的多样性让人印象深刻,其重频从90GHz覆盖到1.3THz,可同时输出数光谱信号,可以说是目前世界上最灵活的时间标尺源。

修改后的论文篇幅从21页扩展到了49页,新增了超过50组测量数据,其突出的研究创新性和完整性,得到了《自然》期刊的高度评价,“通过世界级的加工测试,作者们展现的物理图景是如此丰富,值得《自然》发表,祝贺你们!

▍不忘贡献祖国初心,科学才能方得始终

在《自然》正刊上发表论文之前,饶云江教授课题组联合电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室陈远富教授团队,已经在石墨烯光纤光学方向耕耘了八年。立足于学校“信息与通信工程”和“电子科学与技术”两个A+学科的强强联合,他们已经在《自然·光子学》、《纳米快报》等国际顶级期刊和OFS、 CLEO等顶级会议上发表了40多篇论文,并保持着稳步增长的势头。“这当然是一个厚积薄发的过程”,饶云江说:“八年奋战,越来越强,《自然》正刊论文刚好是登顶之作。”

△饶云江教授带领下的光纤传感与器件团队

国家和学校的平台越来越好了,这是我们工作走向世界的底气,”姚佰承对此深有体会。对于自己的成果,他显得十分谦虚,多次表示这绝非自己的个人成绩,“作为成电培养的学生,能做出这点成绩,得益于国家科技水平的进步、学校的支持和导师的指导,更离不开国际化的团队合作”。他希望这些成果“能够吸引更多中国年轻人对光信息科学产生更大的兴趣,这才是好事情”。

同时,这项研究目前取得的成果在他眼里也谈不上完美,“还有很多值得探索的地方,我们希望能再接再厉,把这项工作的潜力继续挖掘出来。”

饶云江对此也表示同意,“这毕竟是和海外的合作成果,不能全部归功到我们这里来。这只是个开始,是个好的基础。”“我们还有更长远的目标:就是我们自己做主角,在中国的大学,做出能够与之媲美甚至更好的成果。更要发挥自己的特长,让这些成果走出实验室,做成新型器件,有基础研究、也有应用,满足国家的重大需求,这样才能走出有我们成电特色的中国创造之路,为把学校信息与通信工程学科建设成为世界一流学科作出重要贡献”。

文章链接:

Baicheng Yao, et al, "Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators,"Nature(2018)

(本文来源:天津大学新闻网;)

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作者 爱因斯坦

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