1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。

DeepTech 同“创新 35 人” 2021 中国入选者北京大学物理学院助理教授杨起帆，从光学频率梳的发展、集成微腔光梳的器件与应用等方面进行了深入交流。

作为“先锋者”入选的杨起帆主要研究集中在集成微腔光梳的器件与应用等方面。其因突破传统光梳的体积、能耗、成本等多方面限制，在高品质因子非线性光学微腔的系列创新性研究成功入选“创新 35 人”。

获奖时年龄：29 岁

获奖时职位：北京大学物理学院助理教授

获奖理由：他首次实现了微波重频的集成微腔光梳并将技术应用于精密光谱测量中，推动芯片级微型光梳的应用和产业化。

光学频率梳（简称光梳）作为一种宽谱、高相干的特殊激光光源，是实现光学精密测量的重要工具，已被广泛应用于基础科学研究、国民生产和国防军事等众多领域，是光学领域目前最火热的研究方向之一。

由于光学频率远远高于电子器件的工作频率，因此无法用电子器件直接测量光学频率。而光梳由不同波长的激光组成，可以通过测量激光之间的频率间隔，实现对光学频率的精确测量与控制。

然而，传统光梳受到体积、能耗、造价等限制，导致其只能在实验室条件下工作，难以应用于复杂的实际场景中。

解决领域近 10 年难题，将光梳体积缩小一万倍，并推广其应用

2013 年，杨起帆毕业于北京大学物理学专业，加入光学微腔领域领军人物、加州理工学院克里·瓦哈拉（Kerry Vahala）教授课题组学习工作，并于 2020 年回到其母校北京大学任职。

他在近 10 年专注于研究高品质因子非线性光学微腔，并以此为平台发展了芯片级的微型光梳（又名集成微腔光梳）。

杨起帆的工作主要围绕集成微腔光梳的器件与应用方面展开。在器件层面，他首次在二氧化硅、铌酸锂、薄层氮化硅等多种材料平台上实现了锁模的微腔光梳，包括首次在芯片上产生微波重频的光梳。该工作为之后开展小型化光钟、光学频率合成等重大项目奠定了良好基础。

在此基础上，杨起帆还与国际上多所高校合作，提出基于自注入锁定产生光梳的全新机制，并构建了首个全集成的启钥式光梳芯片，其封装后体积不及传统光梳的万分之一[1]。

“我们解决了光学领域近 10 年的难题，把传统上需要大体积、高功耗才可实现的光梳缩小到芯片级别，为其大规模应用铺平了道路。”杨起帆说。

在杨起帆的科研工作中，主要面临两方面挑战。一方面，开发低损耗光子芯片需要突破很多工艺限制，例如材料要足够均匀、刻蚀及后续工艺性能指标必须达到最优等。另一方面，当光梳“走出”实验室，尤其是面向车载、星载等应用场景时，还要考虑其稳定性、可靠性等实际问题。

杨起帆与全球多所高校课题组合作的过程中，最终提出解决该问题的理想方案——将半导体激光器与光子芯片直接集成产生光梳，并利用一种新的机制让其稳定工作。“只要器件本身不损坏，它就可以一直工作。这种兼具鲁棒性与高性能的方案，是光梳技术走出实验室的重要一步。”杨起帆说。

图丨光梳频率梳的小型化革命（来源：Nature）

在应用层面，杨起帆首次搭建了基于集成微腔光梳的双光梳系统，并应用于化学物质的实时监测。

光梳与普通 LED 灯提供的白光光源不同，它由一系列相干的激光组成，每根激光都具有单一、确定的频率。因此，用光梳做光谱检测是其重要的应用之一。

“我们搭建的集成微腔光梳光谱仪，其性能并不因体积的缩小而受影响，在灵敏度、分辨率、采样速度等方面远超其他微型光谱仪。”杨起帆说。

图丨基于集成微腔光梳的光谱仪（来源：Science）

为进一步提升该系统的性能，杨起帆还创造性地提出在单个光学微腔中实现双光梳的方案，并被Nature Photonics评价为“实现双微腔光梳系统的最理想方案”。

在此基础上，他提出了游标卡尺光谱仪这一全新的光谱测量手段，创造了分辨率高达 kHz 的微型光谱仪，性能超过了目前商用的桌面级光谱仪和波长计，实现了微纳器件对台式设备性能上的超越[2]。

谈及集成光梳领域下一个可能的技术突破，杨起帆认为，在红外波长以外，在可见波长和中红外波长产生集成光梳或许是行业的下一个关键的突破。

研发超低损耗光子芯片，未来 5-10 年将实现重大突破

回到北京大学后，杨起帆还与多位同事合作，致力于开发可应用于量子信息、高功率集成光子学等领域的超低损耗光子芯片，这是实现集成微腔光梳的基础。在实验室的小规模的研发阶段，这种光子芯片的损耗可低至 1dB/m，优于市场同类产品一到两个量级。

近 5 年来，低损耗的光子芯片领域技术飞速发展，并且技术的突破一般由科学家在实验室做出原型的验证后，再被业界继续优化及推广。

据悉，目前美国与欧洲已经在超低损耗光子芯片领域开始相关技术的产业化，而在中国该领域整体尚处于起步阶段。

杨起帆表示，“高性能的集成光子学，是接下来 5 至 10 年内会出现重大突破的领域。相信在未来的几年，我们会以非常快的节奏追赶国外的领先水平，从技术上可以实现到追求性能上的超越。”

将尽早推出芯片级微型光梳产品，为实现光子钟等应用做准备

虽然科研成果颇多，但做科研的过程并非一帆风顺，杨起帆也时常面对进展缓慢等情况。每到此时，他都以平常心来看待。对他来说，解决科学难题过程中的成就感，以及随时接触到行业最前沿的技术和最先进的科学知识是最好的“驱动力”。

对于入选“创新 35 人”，杨起帆表示，“非常荣幸入围，得益于集成光子领域近几年的高速发展，也希望大家多关注集成光子领域的技术发展，以及该领域更多优秀的科研人员。”

图丨集成光学频率梳芯片（来源：Nature）

目前，杨起帆研究方向围绕集成光梳，并致力于推出具有实用化意义的集成光梳产品。他希望，用技术驱动应用，并立下了发展集成光子钟等高精尖技术的宏大目标。“与其他技术相比，基于光梳构筑的光子钟在精度上提升了几个量级，这也是目前国际上计时领域最先进的技术。”

除此之外，在光通信和光计算领域，集成微腔光梳非常适合作为大规模并行光源。由于光的不同波长之间不会产生相互干扰，用一根光纤或一个光子芯片，便可以同时支撑十几个甚至上百个频率的激光同时进行数据传输与处理。

“这种情况下，我们的集成光梳提供了非常高的相干度，是小型化多波长光源的理想解决方案。这也是目前光通信领域重点关注的方向。”杨起帆说。

他认为，集成微腔光梳一定会在未来颠覆精密测量领域，并带动相关领域的共同发展。“我会继续在该领域深耕，力求推动微腔光梳产业化，为集成光电子平台提供高性能的相干光源。”

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参考：

1.Shen, B., Chang, L., Liu, J. et al. Integrated turnkey soliton microcombs. Nature 582, 365–369 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2358-x

2.Myoung-gyun Shu,Qi-Fan Yang et al. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science 354，6312,600 - 603 (2016). DOI: 10.1126/science.aah6516F

【关于创新35人】

自 1999 年起，《麻省理工科技评论》每年从世界范围内的新兴科技、创新应用中遴选出 35 岁以下对未来科技发展产生深远影响的创新领军人物，涵盖但不限于生物技术、能源材料、人工智能、信息技术、智能制造等新兴技术领域。“35 岁以下科技创新 35 人”（MIT Technology Review Innovators Under 35，简称 TR35）堪称科技领域最权威的青年人才评价体系之一，在产业界和学术界获得了广泛认同。2017 年，TR35 中国评选正式推出，目前已历经五届。

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