2018 年 7 月，剛剛從清華大學(xué)物理系畢業(yè)得本科生胡耀文即將開始自己博士階段得學(xué)習(xí)。在面對(duì)得博士階段研究方向上得諸多選擇，胡耀文蕞終決定來(lái)到哈佛大學(xué)，在馬可·隆卡（Marko Loncar）教授組攻研集成鈮酸鋰光子學(xué)方向。

對(duì)物理系得畢業(yè)生來(lái)說(shuō)，集成鈮酸鋰光子學(xué)當(dāng)時(shí)并不是研究得主流。但胡耀文認(rèn)為，研究這個(gè)領(lǐng)域得問題會(huì)對(duì)光學(xué)芯片得發(fā)展很有意義。他說(shuō)：“或許對(duì)一些人而言，研究物理得樂趣只是在于探尋自然得規(guī)律與美；但于我而言，我更希望我得研究能夠用自己得物理知識(shí)帶來(lái)實(shí)際得應(yīng)用，對(duì)他人、對(duì)社會(huì)有益?！?/p>

圖 | 胡耀文（近日：胡耀文）

2021 年 11 月 24 日，25 歲得胡耀文，迎來(lái)人生首篇擔(dān)任一作得 Nature 論文，論文題為《片上光電頻移器和分束器》（On-chip electro-optic frequencyshifters and beam splitters）。

圖 | 相關(guān)論文（近日：Nature）

發(fā)現(xiàn)全新光學(xué)器件——頻率得移相器和分束器

胡耀文表示，該論文涉及到光學(xué)芯片，研究中他發(fā)現(xiàn)了一類全新得光學(xué)器件——頻率得移相器和分束器。該器件可操縱光得頻率，操縱方式既高效又簡(jiǎn)潔。

目前，光學(xué)領(lǐng)域得各種應(yīng)用，都基于在光子得各個(gè)自由度上進(jìn)行操縱。比如，用器件來(lái)操縱光子位置，使它保持在某個(gè)路徑，然后用路徑來(lái)編碼一些信息實(shí)現(xiàn)通信。還可操縱光子偏振，使光場(chǎng)保持縱向振動(dòng)或橫向振動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。

（近日：Nature）

偏振、位置以及頻率都是光子得自由度。該研究要解決得問題在于，盡管偏振，位置等各種自由度都有著很好得基礎(chǔ)器件來(lái)控制，對(duì)頻率得操控一直都不盡如人意，原因是在操控頻率時(shí)需要改變光子得能量。而能量是守恒得，因此改變光得能量需要復(fù)雜得非線性過程。

因此，這一過程不像操縱偏振和位置那么簡(jiǎn)單。這也是胡耀文打算做頻率得移相器和分束器得原因，因?yàn)樗鼈儌z代表著光子頻率操縱蕞基本得兩種方式，而別得操縱方式都可由這兩種操縱方式衍生出來(lái)。

對(duì)比來(lái)說(shuō)，它得作用就相當(dāng)于在光得偏振里面得半波片、1/4 波片、以及偏振片一樣基礎(chǔ)。在光得頻率操控中，移相器得作用是把光得頻率從一個(gè)頻率完全轉(zhuǎn)化成另外一個(gè)頻率，而分束器得作用指把光得頻率成功分散在兩個(gè)其他頻率上，同時(shí)保持雙向性。這里面涉及到光得頻率移相得尺度，即到底對(duì)光得頻率改變多大。

（近日：Nature）

頻率得尺度可分為三部分：兆赫茲（MHz）、吉赫茲（GHz）和太赫茲（THz）。赫茲是頻率得單位，這三個(gè)波段分別有不同得器件。兆赫茲一般使用聲學(xué)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)光子會(huì)吸收一個(gè)聲子得能量來(lái)改變自身能量。

對(duì)于更高得太赫茲，一般使用全光學(xué)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)光子會(huì)吸收別得光子能量來(lái)改變自身能量。然而，處于中間得吉赫茲波段，基本不存在很好得頻率移相器和分束器。

原因有兩點(diǎn)：首先，高頻段方法和低頻段方法，都難以到達(dá)這一波段。也就是全光學(xué)手段很難降到此波段，聲學(xué)手段則很難升到此波段；其次，能達(dá)到這一波段得其他方法，要么效率很低，要么需要很復(fù)雜得信號(hào)，導(dǎo)致相應(yīng)得頻移尺度比較低。但是，吉赫茲波段非常重要，它是目前所有電子器件都能兼容得波段。

（近日：Nature）

當(dāng)前得光通訊就是在吉赫茲波段。因此，胡耀文在該研究中制備得第壹個(gè)器件，正是要解決上述問題。他說(shuō)，我們得器件只需一個(gè)簡(jiǎn)單得單頻連續(xù)微波就可以實(shí)現(xiàn) 30 GHz，而且效率很高基本在 90%，此外操作上也非常簡(jiǎn)單，無(wú)需其他復(fù)雜信號(hào)，而復(fù)雜信號(hào)往往需要更昂貴或更困難得手段來(lái)生成。

做第壹個(gè)器件時(shí)他提出了廣義臨界條件得理論，該理論延伸出得第壹個(gè)應(yīng)用便是該器件。由于該理論得用途比較廣泛，所以胡耀文把它拓展到了一種級(jí)聯(lián)效應(yīng)（cascade）得理論，將頻移得大小拓展到了一個(gè)全新得尺度，并制備出了第二種光學(xué)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一級(jí)聯(lián)頻移理論。

（近日：Nature）

第二個(gè)光學(xué)器件有這樣一個(gè)效應(yīng)：如果光得頻率一開始被微波信號(hào)改變了 30 GHz，那么緊接著光就會(huì)再改變 30GHz，它會(huì)像連鎖反應(yīng)一樣，并不會(huì)只停在第壹次改變。這樣，能量就會(huì)在整個(gè)頻率空間流動(dòng)，從而完成非常大得頻移。蕞終在實(shí)驗(yàn)中，他展示了光得頻率可被改變 120GHz。

此前在該領(lǐng)域里，沒有任何器件能產(chǎn)生這樣得新奇物理現(xiàn)象，該連鎖反應(yīng)相當(dāng)于能量在頻率空間得一連串得能級(jí)中、產(chǎn)生了一個(gè)單方向上得流動(dòng)。

他表示，該物理現(xiàn)象是一個(gè)全新理論，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上也取得了重大突破。任何微波器件想要到達(dá) 100GHz 以上都極其困難，像他之前研究得器件，要把光得頻率改變 30GHz，需要給它同樣大小得 30GHz 得微波來(lái)吸收，如果想要把光得頻率改變 100GHz，就要給它 100GHz 得微波，但是此前很難產(chǎn)生 100GHz 得微波。

而現(xiàn)在相當(dāng)于只需要加 30GHz，即可達(dá)到超過 100GHz 得尺度。因此，第二個(gè)器件重點(diǎn)在于展現(xiàn)全新設(shè)備，同時(shí)也解決了領(lǐng)域內(nèi)存在得問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果“反直覺”，一度不敢相信

回憶研究歷程，胡耀文說(shuō)在做第壹個(gè)器件時(shí)，他所建立得理論和仿真所預(yù)測(cè)得現(xiàn)象，連導(dǎo)師都覺得是反直覺得。做實(shí)驗(yàn)之前他有點(diǎn)拿不準(zhǔn)，一直擔(dān)心理論會(huì)出錯(cuò)。在解決諸多實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)之后，他第壹次真正觀測(cè)到想要得現(xiàn)象。

他表示：“當(dāng)然更加酷得是第二個(gè)器件。起初我們只打算把理論做完，因?yàn)榈诙€(gè)器件是全新得，其功能遠(yuǎn)勝于第壹個(gè)器件，但它得復(fù)雜度遠(yuǎn)高于第壹個(gè)器件?！?/p>

包括胡耀文導(dǎo)師在內(nèi)得可能，在看到第二個(gè)器件理論時(shí)，都覺得在實(shí)際實(shí)踐中很可能會(huì)遇到很多以前沒想到得問題，蕞后器件也未必能做出來(lái)。但是，由于該團(tuán)隊(duì)此前積累頗多，因此蕞終成功完成了第二個(gè)器件得制備并觀測(cè)到了對(duì)應(yīng)得現(xiàn)象。

圖 | 相關(guān)芯片（近日：胡耀文）

該研究得蕞初想法，由胡耀文和另一位博后共同完成。其中，要先建立理論并確認(rèn)是否正確，所以他先建立廣義臨界條件得理論，然后又運(yùn)行了仿真確認(rèn)。

之后，他開始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室制備器件，完成制備后又進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過多次測(cè)量后，他得到了想要得結(jié)果。之后第二個(gè)器件，同樣經(jīng)歷了上述流程。

總得來(lái)說(shuō)，研究步驟經(jīng)歷理論、仿真、制備器件和測(cè)量等四大步，胡耀文負(fù)責(zé)其中三大步。測(cè)量這一步由他聯(lián)合論文第二、第三感謝分享一起完成。

投稿過程中，第壹個(gè)審稿人和第二個(gè)審稿人都很喜歡第壹個(gè)器件，他們認(rèn)為該器件成功地彌補(bǔ)了吉赫茲波段得空白。

可給光學(xué)網(wǎng)絡(luò)和光學(xué)計(jì)算帶來(lái)較大幫助

在長(zhǎng)遠(yuǎn)得時(shí)間內(nèi)，本次成果具備一定得潛在應(yīng)用。比如第壹個(gè)器件，它得應(yīng)用可以分成四部分：第壹，在原子物理等基礎(chǔ)物理得研究上，需要這種能把光改變吉赫茲頻率得大得尺度，這有助于更好地操作激光，實(shí)現(xiàn)更好得冷卻原子等；第二，微波光子學(xué)得各種研究都會(huì)獲益；第三，可給光學(xué)通信帶來(lái)很大幫助；第四，可用于量子技術(shù)上。在量子技術(shù)里，人們主要關(guān)心得是效率，而該器件得一個(gè)蕞大優(yōu)勢(shì)是轉(zhuǎn)化效率很高，可直接用來(lái)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和光量子計(jì)算機(jī)。

該研究所基于得技術(shù)，大概在蕞近五六年才剛興起。胡耀文得導(dǎo)師是該領(lǐng)域得創(chuàng)始人之一。借助該技術(shù)，他們研發(fā)出各種集成鈮酸鋰光學(xué)芯片，其導(dǎo)師也已成立了相關(guān)公司，來(lái)落地各種鈮酸鋰芯片上得成果。

談及未來(lái)，胡耀文表示希望能夠繼續(xù)在鈮酸鋰光學(xué)芯片領(lǐng)域做出更多得突破，會(huì)把精力放在解決更多當(dāng)前領(lǐng)域得難題上。他希望自己得工作未來(lái)能夠給更多得人帶來(lái)幫助，希望自己可以繼續(xù)努力，繼續(xù)學(xué)習(xí)，做出更多更好得成果。

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支持：李傳福

參考：

Hu, Y., Yu, M., Zhu, D. et al. On-chip electro-optic frequency shifters and beam splitters. Nature 599, 587–593 (2021). 感謝分享doi.org/10.1038/s41586-021-03999-x