光声之间

刘婉茹

德国一位物理学家曾说，在追求真理、揭示自然奥秘的探索中，“量子向我们展示了另一种世界观。去了解它，确实不那么容易，而一旦我们去尝试了，将会触摸到一个更为丰富的世界”。现今，量子科学已发展到了可以对单个量子态操控的惊人水平。为了对光子、电子、声子等粒子或准粒子进行精准操控，科学家们在探索各种新型光电材料的同时，通过将传统材料微纳化形成人工微纳结构。

微纳结构具有新奇的光电效应，利用它有可能制作出新型的光电器件。在如今飞速发展的信息社会，有可能会带来信息技术的革命。光子晶体和光声晶体就是通过微纳尺度下的人工周期结构，实现对光子、声子及其相互作用的操控，是一个有着巨大创新空间和广阔应用前景的研究方向。

什么是光子晶体、光声晶体？它们具体有什么应用前景？对此，记者采访了清华大学电子工程系副教授崔开宇。

崔开宇一直致力于光子晶体无源、有源器件及其在集成芯片上的应用研究，实现了尺寸最小的宽带光开关，同时是InP基有源光子晶体刻蚀深宽比纪录保持者。在清华大学留校工作后，崔开宇又在国内率先开展光声晶体前沿研究，在国内首次研制出大于5GHz声子频率的纳米臂微腔。作为项目负责人和项目骨干，崔开宇还承担了多项国家和国际合作项目。

针对光子晶体，取得关键性突破

“蝴蝶的翅膀为什么有很多种颜色？蝴蝶的翅膀本是无色的，只是因为具有特殊的微观结构，才会在光线的照射下呈现出缤纷的色彩。”崔开宇举例说明，蝴蝶的翅膀就是一种光子晶体，只是自然界中的光子晶体很难为我们所用。作为一个80后，崔开宇一直很喜欢物理学，尤其喜欢与物理相关的交叉科学。因此，本科之后直博的她选择了光电子方向，开始研究光子晶体。

“人们希望对光子也有一种非常有效的调控，于是在硅材料等半导体材料上做一个光学尺度的人工晶体，就叫做光子晶体。跟自然界中调控电子的晶体相类比，光子晶体其实就是用来调控光的。”崔开宇解释，光子晶体是近年来迅速发展的新一代微纳结构材料，基于其光子能带所特有的带隙限制特征，不仅可实现传统光电子器件难以实现的许多功能，还使微纳尺度超小型化光子集成回路的实现成为可能。

“众所周知，光的速度很快，它跑进去一趟还没来得及跟里面物质相互作用，就跑得很远了，所以光器件要比电子器件大几个数量级。”崔开宇说，“如果能把光速降低，那我们就能把器件尺寸缩小。”基于半导体平面工艺的二维光子晶体波导，可利用人工设计的周期性结构来调控光的群速度，来突破传统材料的折射率限制，在光群速度调控方面具有不可替代的优势。因此，光子晶体慢光波导已成为近年来国际上的研究热点。

“利用慢光增强效应可以从空间上压缩光信号，可以增强相移、非线性、光增益等，实现微纳尺度的超低功耗的有源器件、可控型光放大器件以及光延时功能器件。因此，作为重要的光子集成途径之一，光子晶体慢光波导具有重要的学术研究意义和实用价值。”崔开宇高兴地告诉记者，他们实验室是国内第一个把光子晶体里的慢光测出来的，其光速可以达到真空中光速的八十分之一。

近几年，崔开宇以光子晶体慢光波导作为切入点，利用热光效应改变周期结构折射率的机制研究光子晶体慢光波导的调控性能，在理论设计、工艺实现到测试技术方面取得关键性突破，通过实验获得了小尺寸、低功耗的光子晶体慢光调控的新型功能器件。2011年以来，相关工作连续发表在Applied Physics Letters、Applied Optics、IEEE Photonics Journal等国际期刊上，得到了国际同行的肯定。

通信波段的III-V族有源半导体材料，是崔开宇的另一个关注点。她发现，当利用通信波段的III-V族有源半导体材料制作微纳光源时，水平方向只有百纳米的小孔，需要在垂直方向上刻蚀穿透几微米厚的PN结和量子阱结构。刻蚀结构需要像针孔一样又细又深，因此高深宽比刻蚀技术是实现有源半导体微纳光源的关键。此前，英国研究组曾在J.Vac.Sci.Technol.B杂志上发表他们的工作，制备出了超高深宽比为38的InP/InGaAsP有源光子晶体，这个纪录保持了近10年，直到崔开宇取得了新突破。2013年，美国物理联合会旗下的AIP Advances刊登了这一突破性进展，这一次，崔开宇的挑战将InP/InGaAsP有源光子晶体的刻蚀深宽比提升到了45，一时间国际学术界纷纷瞩目。美国专业媒體VerticalNews以“Recent Findings from Tsinghua University Provides New Insights into Nanotechnology”为题进行了报道。“相关的测试结果都表明，我们的工作实现了高质量、大深宽比InP基有源光子晶体的干法刻蚀工艺，突破了InP基有源光子晶体制备的关键工艺瓶颈。”崔开宇说。

能够取得这些成果，崔开宇认为离不开多年来导师的言传身教。她从吉林大学来到清华大学直读博士的时候，导师就是现任电子工程系系主任黄翊东教授。“她是一个有理想和追求的人，对学生的学业、生活都很关心。”崔开宇表示，她会秉承导师的这种作风，将其传递给自己的学生。

围绕光声晶体，抓住重要机遇

在微纳结构中光子与电子相互作用的基础上，通过微纳结构形成光学微腔来增强光子与声子的相互作用是近几年迅速引起关注的一个崭新的研究方向——腔光力学。崔开宇介绍说，腔光力系统为光子与电子、声子的量子操控引入了丰富的物理内涵，产生了一系列新的物理机制。其中，利用微纳结构形成的腔光力系统有可能提供光子与电子、声子操控的新机制和新手段，是未来新型光子器件的物理基础。

目前，腔光力系统的相关研究尚处于萌芽状态，仍然有很多关键问题有待解决。正因此，这一领域成为崔开宇的兴趣所在，是她未来的工作方向。“科研的每一天都是在做创新工作，有很多的问题需要去攻克和解决。”崔开宇告诉记者，“最关键的是，当你进入到一个方向时，知道这个方向的发展趋势，发现这里面影响事物发展的核心问题，只有知道了问题，才能够想出办法来解决，实现创新。”

崔开宇所说的“新的物理现象和机制”，需要在腔光力系统中实现强的光子与声子的相互作用。而要增强光子与声子的相互作用，其核心问题就是如何利用微腔实现光子、声子的空间局域和频率选择，从而操控两者之间的能量耦合过程。

为了进行有效的研究和应用，这一问题必须要得到良好的解答。一直以来，科学家们尝试提出了多种微纳结构来实现光子与电子、声子的操控，但直到光声晶体概念提出后，才为同时操控光子和声子提供了新的机理和有效的途径，为片上“超冷 ”量子基态的实现提供了可能。

什么是光声晶体？

“通过某种周期结构不仅调控光子，还调控声子，就是光声晶体了。”崔开宇解释说。现在，崔开宇在研究光子晶体的基础上进一步拓展，开始探索光声晶体了。

光声晶体是怎么产生的？崔开宇进行了详细的阐述：在半导体材料上制作微纳周期小孔，当光波通过光波长尺度重复的周期结构时，经过多次的反射和叠加，有些频率的光波可以通过，有些频率的光波不能通过，不能通过的频段就是光子带隙。由于带隙的存在，频率落在带隙内的光不能在周期结构中传播，那么当拿掉一行小孔后，光不能进入两侧的周期结构，只能沿着这个路径传播，就形成了光波导。如果在周期结构中去掉一个小孔，光同样不能向周围传播，被束缚和局域在这里，就形成了光的微腔。这样就有可能通过设计周期结构，进行能带调控，来实现光的传输、局域等操作，把光器件的尺寸缩减到微纳尺度。通过形成光子能带，有效地调控光子，就是光子晶体。在光子晶体的基础上，不仅调控光子而且同时调控声子，以及光子和声子相互作用，就可以形成光声晶体。

“基于微纳周期结构形成的这种人造晶体实现能带调控，可以超越天然材料的固有属性，极大地提升器件性能，或者形成新一代的功能器件。”崔开宇说，利用光声晶体微腔可以同时局域和调控光子、声子并操控其相互作用的过程，从而可将介观/宏观尺度的片上系统致冷至量子基态，即不含声子的“超冷”真空态。不同于传统的Doppler激光冷却方案仅能实现单个原子的量子基态，光声晶体微腔为实现片上系统的量子基态提供了可能，是迄今为止唯一的片上量子基态实现方案，必将引发量子控制、精密测量、量子信息领域的革命性飞跃。

目前，崔开宇及其研究团队直接瞄准光声晶体中光子与电子、声子等的相互作用机理及片上实现展开研究，在该领域研究的初始阶段高起点切入，力求从理论研究、设计实现到测试技术上取得关键性突破，在光声晶体引发的新一轮腔光力学的研究和应用中取得引领性的科研成果。

针对同一周期结构无法同时优化对光子和声子操控这一瓶颈问题，崔开宇提出异质结构光声晶体的概念，即在同一个纳米悬臂上套刻两种周期结构，分别调控光子和声子能带，大大提升了声子模式带隙限制的频率范围。同时成功制备出这一创新结构，实验测试结果证实了异质光声晶体的有效性，声子模式频率提高至5.66GHz。相关工作发表于Nature Publishing Group旗下的学术期刊Scientific Reports，以及西部光子学（Photonic West）国际会议。“这是已报道一维光声晶体微腔的最高声子频率。”崔开宇说。

为解决纳米悬臂光声晶体微腔输入光耦合系统集成化这一关键问题，崔开宇提出了集成纳米臂波导耦合的渐变孔光声晶体微腔。不同于消逝场光纤垂直耦合的方法，这种集成端面耦合波导的光声晶体微腔可以有效避免非集成、动态耦合给微腔带来的扰动和无法实际应用的问题，在实现高效光声耦合（1.16MHz）的同时，使光声晶体微腔的集成芯片化成为可能。2015年，相关理论工作发表在Journal of Optics上，并入选了其网站主页的研究亮点工作；第二年，实验工作也发表于Scientific Reports。基于出色的科研工作，2017年崔开宇成为Scientific Reports的期刊编委（Editorial Board Member）。

“尽管基于光声晶体的腔光力学研究展示出了极其美好的研究前景，但是其中的光子与电子、声子的相互作用机制还处在基础研究阶段，将这些新机制最终应用并实现新的片上功能器件，尚有诸多的物理问题和技术难点有待探究。”崔开宇告诉记者，同时一口气举了好几个例子，“比如，光声晶体需要对光子和声子同时进行带隙调控和带隙限制，此时什么是声子空间局域和频率选择的理论极限和物理限制机理；针对不同的物理现象和机理，如何设计光声晶体微腔进行相关的理论研究和实验测试；实验上如何制备出高品质的光声晶体片上微腔系统；测试上如何降低环境扰动，测试出光声晶体微腔中光波模式与机械振动/声子模式耦合的多种物理现象；应用上如何利用新的物理机制实现片上功能器件等。”

目前，国际上仅有少数几个研究组具备同时开展光声晶体微腔的相关理论和实验研究的能力。清华大学是国内较早开展光子晶体和量子信息基础性研究的单位，目前已建立起了光声晶体的设计、制作和测试平台，为进一步深入开展光声晶体中光子与电子、声子等的相互作用机理及片上实现研究奠定了坚实的基础。崔开宇于2010年从清华大学博士毕业后就一直在清华大学电子工程系任教。她认为，清华大学为她的工作提供了良好的环境，现阶段开始启动光声晶体中光子与电子、声子等的相互作用机理及片上实现研究的时机已经成熟。

“由于光声晶体这一研究方向在国际上也处在刚刚起步阶段，我们应该抓住这一难得的机遇，在该领域研究的初始阶段切入相关基础研究，有可能实现创新和跨越。”从光子晶体转向光声晶体，崔开宇清楚地知道自己即将面临的门槛和挑战，但她依然坚持。

崔开宇说，目前是互联网时代，接下来将会是智能时代。在智能时代，许多器件要做到微纳尺度。比如，机器人就需要很多轻巧的传感器。而整个光声晶体领域很大的一个潜力方向就在高精度智能传感上。

“希望在理论研究、设计实现到测试技术方面取得关键性突破，在光声晶体引发的新一轮研究中获得具有自主知识产权的创新成果。”崔开宇坦言，她未来的工作计划都将围绕着光声晶体。

现在，崔开宇已经是一个孩子的母亲。“当了妈妈的人，工作和生活都要做好，很不容易。”崔开宇告诉记者，工作和生活，无论怎么平衡，都是要花时间的，她要盡量做到高效。