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之江实验室虞绍良：发展新型光学芯片接口方案，将光学带宽提高1个数量级 环球短讯
2023-04-24 20:15:51    DeepTech深科技


(相关资料图)

近年来，人工智能、虚拟现实等新兴技术的迅速发展，对通信带宽和计算能力提出了新的需求，数据中心的带宽和能耗问题也日益凸显。
基于光子芯片的光学互连方法，因其传输损耗低、可高度并行等显著优势，成为解决该问题的必要手段。然而，现有光子芯片所采用的接口方案，依赖于片上周期性光栅的多次衍射，其光学带宽仅有 30-40nm，而插入损耗高达 3-4dB。目前，光学芯片的耦合接口成为了其在光互连应用中的主要瓶颈之一。
之江实验室副研究员的主要研究方向为集成光子学和微纳光子学，包括光子集成器件、链路与系统，光纤-芯片、芯片-芯片的互连与封装，光学神经网络架构与光计算，片上集成的微粒与离子捕获，光学微纳加工与逆向设计等。
他在光子芯片上集成微型光学自由曲面，实现了光纤-芯片之间的高效互连耦合。自由曲面耦合器实测插入损耗低至 0.5dB，工作带宽大于 300nm，覆盖了 O 到 U 波段的超大带宽波分复用需求。
在实现超低插入损耗的同时，还将光学带宽提高了 1 个数量级，核心指标均为目前最佳值（0.5dB vs.3dB, 300nm vs.40nm）。
图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者虞绍良
凭借在二维光学芯片上引入三维自由曲面，发展新型的光学芯片接口方案，大幅提升芯片的性能，成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” （TR35）中国入选者之一。
将光学带宽提高 1 个数量级
与剪窗花类似，传统的光刻做出来的是平整的二维结构。创造性地提出用类似“搭积木”的方式，在集成光学芯片上引入三维微型自由曲面，以进行片上波前调控的全新研究思路[1]。
“我们从理论模型、设计方法、制备工艺等多方面开展研究，拓展了片上光学结构的空间维度，增加了对片上光场的调控自由度。”说。
他提出的光学芯片新型通用接口方法，突破了因片上传统二维周期性结构维度缺失而带来的光场调控能力受限的瓶颈。该方法可达到超宽波段 90% 的光传递，实现了低损耗光学互连耦合方案，构建了波导集成的片上光镊系统。
图丨虞绍良近两年的研究成果总结（来源：虞绍良）
该方案作为一种通用型的光学芯片接口，具有很强的普适性，能应用于多种光互连场景。表示：“该方案不仅可以实现光纤-光芯片之间的高效耦合，还可以用于光芯片-光芯片之间的混合集成。”
此外，基于该方案可实现光电子与微电子芯片之间的共封装，构建光电融合的芯片架构，解决目前信息传输与处理中的带宽和功耗问题。
据悉，该方案已申请相关专利，并迅速引起光子学产业界和学术界的极大关注。目前已经与多个公司和科研团队开展合作，应用于其新产品和实验中，并有望整合进入光电芯片制造商的工艺流程中，在行业中得到大规模推广。
用光在光芯片让 4 微米小球悬浮
光镊系统自其诞生起，就因在生物表征、原子冷却、精密测量等领域的广阔应用前景，得到了持续的研究。2018 年，其发明人美国物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）获得了诺贝尔物理学奖。
传统的基于大数值孔径物镜和光纤光束的光镊系统，对光场的调控能力有限，且无法大规模集成。而现有的片上集成的光镊方案中，其作用距离为亚波长范围，仅能将微球束缚在结构表面，无法实现真正的三维空间自由捕获。
提出并实现了一种新型的片上光镊系统，通过集成在波导端面的三维自由曲面对波导出射的多个光束进行波前整形，实现了在芯片上对波导光场的三维空间聚焦，产生了三维梯度光场，形成三维光力势阱[2]。
他与团队首次用光在芯片上，实现了对单个和多个微小颗粒（4 微米小球）的可控悬浮，并演示了灵敏度高达 10 -12N 的弱力测量。
图丨使用自由形式聚焦反射器的片上光学捕获（来源：Optica）
这种新型光镊芯片方案解决了片上集成光场三维空间聚焦难题，使在芯片上对光场进行复杂操控成为可能。为片上原子钟、片上位移和弱力的精密测量等领域的研究提供了全新的思路，在基础研究领域具有重要的应用价值。
在芯片上让微小颗粒完全悬浮起来，意味着该颗粒与周围的介质之间没有任何相互作用。表示：“这种完整的、孤立的系统，可以用于非常精密的测量，比如通过该方案进行微尺度动力学分析，测量弱小的力以及进行非常小的加速的测试。”
另一方面，该技术在生物方向也有应用场景，例如生化传感和单细胞分析。捕获介质的尺度与细胞类似，在单细胞捕获后，可通过光学方法研究细胞的相关特性。

远见者: 光学芯片或将越来越多地出现在计算系统中

是一名 90 后，生于安徽省安庆市一个临湖而栖的小镇。山水之间，以自然为书卷，“放养式”的成长环境培养了他很强的动手能力。他从小就对机械设备感兴趣，家里的水泵、自行车等常是他年幼时的研究和拆装对象。

他大学本科就读于华中科技大学应用物理学专业，期间获得教育部主办的首届全国大学生物理实验竞赛三等奖。

之后，成绩优异的他到浙江大学光电学院读直博，研究方向开始转向光学，师从童利民教授。有意思的是，读博期间，当实验室的仪器设备出现问题时，和同学们首先会尝试自己动手维修。“只有最后搞不定的时候，我们才会联系厂家来维护。”他说。
博士毕业后，到麻省理工学院从事博士后研究，合作导师为胡崛隽（Juejun Hu）教授。虞绍良走上科研之路，受博士和博后期间两位导师的影响颇深，但他们是两种完全不同的风格。
据介绍，童利民教授侧重于基础研究，擅长用非常简洁、巧妙的思路和方法，探索一些基础却重要的科学难题；而胡崛隽教授则更多考虑的是用所研究的技术解决产业痛点和瓶颈，从而推动行业的发展。
表示：“我在博士和博后期间，还分别与两位领域内的顶尖科学家合作过。他们已经是功成名就的美国科学院院士，却依然坚守在科研一线，积极地思考很多前沿的问题。他们严谨的治学态度和踏实的工作作风，给我留下了深刻的印象。”
与优秀科学家一起学习与工作的经历，让对科研工作有了更切身的体会，树立了更明确的目标——向优秀的科学家看齐。在结束博后研究后，他归国加入之江实验室，目前担任之江实验室光电智能计算研究中心副主任、课题组长。
图丨虞绍良在全球青年科技领袖峰会演讲（来源：DeepTech）

集成光学在计算行业中有很重要的应用前景。其可以实现高速的数据传输，完成并行的矩阵乘加运算，也能够在光域就实现图象识别。这可能会给计算技术带来系列新的变革，预计在不久的将来，大家会越来越多地在计算系统中发现光电芯片的身影。

未来，他希望能够构建更高效、更通用的光学芯片的接口方案，开发出并行的加工方法，实现低成本的快速制备。在保持其优异性能的同时，还可降低制备时间和成本。
作为“远见者”成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一，表示，感谢 TR35 这个平台，为年轻人提供崭露头角的机会，也鼓励更多的青年科学家敢于解决那些领域内的棘手难题，促进科研“百家争鸣”的局面。
参考资料：
1. S. Yu, L. Ranno, Q. Du, S. Serna, C. McDonough, N. Fahrenkopf, T. Gu, J. Hu,“Free-form micro-optics enabling ultra-broadband low-loss off-chip coupling”, Laser Photonics Rev. 202200025 (2023). https://doi.org/10.1002/lpor.202200025
2. S. Yu, J. Lu, V. Ginis, S. Kheifets, S. Lim, M. Qiu, T. Gu, J. Hu, F. Capasso, " On-chip optical tweezers based on free-form optics", Optica, 8, 409-414 (2021). https://doi.org/10.1364/OPTICA.418837

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