人物專訪 北京大學(xué)長三角光電科技研究院 張方醒副研究員

光學(xué)微腔是一種能夠把光場限制在微米量級區(qū)域中的光學(xué)諧振腔，在信號發(fā)射、處理和傳感等領(lǐng)域具有廣闊前景。本期卓立漢光《視點(diǎn)前沿》欄目組邀請到來自北京大學(xué)長三角光電科技研究院 張方醒副研究員，做客直播間，為大家分享光學(xué)微腔在片上集成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)前景。

北京大學(xué)長三角光電科技研究院 張方醒老師（左）  北京卓立漢光北京卓立漢光儀器有限公司銷售經(jīng)理姚長野（右）

專業(yè)面向微腔應(yīng)用與成果產(chǎn)業(yè)化的研究團(tuán)隊(duì)

張方醒老師來自北京大學(xué)長三角光電科技研究院肖云峰教授課題組，課題組是面向微腔應(yīng)用開發(fā)的研究團(tuán)隊(duì)，主要應(yīng)用方向?yàn)楦咂焚|(zhì)微腔，高品質(zhì)因子的WGM微腔的開發(fā)及應(yīng)用，致力于將北京大學(xué)物理學(xué)院的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)用型應(yīng)用產(chǎn)品。課題組應(yīng)用分兩塊：光源方向和傳感器方向。

目前，課題組在微腔光源上面的研究具有顯著成果，將光纖微腔整合成一個超穩(wěn)的腔，利用熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)提高器件穩(wěn)定性，克服自身頻率漂移問題，基于這種器件，相關(guān)研究包括窄線寬激光研究，如多頻率成分的飛秒光梳研究。此外，課題組在超聲探測方向也有重要收獲，利用光學(xué)微腔來進(jìn)行超靈敏、寬帶的超聲研究。

光學(xué)微腔在片上集成的應(yīng)用思路

光學(xué)微腔如果在片上集成既有優(yōu)勢又有難點(diǎn)。從優(yōu)勢來看包含兩點(diǎn)，一方面片上集成意味著微腔可進(jìn)行批量化的生產(chǎn)，尺寸在微米量級，八英寸硅片上可以做出來幾十萬個微腔，這在很大程度上降低成本至幾塊錢。另一方面微腔作為一種器件，以往作為分離器件的形式來使用，如果可以做片上集成，意味著可以將探測器，激光器，光源，調(diào)制器等這些獨(dú)立的器件組合成真正的系統(tǒng)來用到實(shí)際，以上是他的兩個優(yōu)勢。難點(diǎn)也包含兩點(diǎn)：首先是片上集成很難實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子，例如WGM微腔、基于波導(dǎo)微環(huán)微腔等，低品質(zhì)因子不具備市場競爭力，基于DBR的FP腔，它的品質(zhì)因子可以到七次方，且具備更低的制作成本。另外一方面，即使通過激光加工、拋光等技術(shù)手段將片上集成的微腔品質(zhì)因子做高， 但它并不是CMOS兼容，無法再添加其他器件，喪失掉集成的優(yōu)勢。

片上集成光學(xué)微腔是未來的發(fā)展方向和大趨勢，但仍有很多技術(shù)難點(diǎn)需要解決。目前分離微腔具備一些實(shí)用場景，比如具備超高品質(zhì)的因子的微腔在高精密、高靈敏度要求的應(yīng)用。簡而言之，其實(shí)要兩條腿走路，就是不光要關(guān)注集成器件，也要關(guān)注一些分離器件，各有優(yōu)勢。

光學(xué)微腔在科研和工業(yè)的領(lǐng)域都有哪些應(yīng)用？

光學(xué)微腔是微型的諧振腔，諧振腔的本質(zhì)是一個光學(xué)的部件或者元件。例如激光器是現(xiàn)在現(xiàn)代光學(xué)的重要基石，激光器主要包含三部分：諧振腔、外部激勵、增益介質(zhì)。激光器的基礎(chǔ)構(gòu)架就是一個腔，目前光學(xué)器件的趨勢就是要把光學(xué)器件小型化、集成化，在這個大趨勢下就有了把諧振腔變成微腔。在這個基礎(chǔ)上不難發(fā)現(xiàn)，微腔在工業(yè)和科研上的應(yīng)用仍基于微腔本質(zhì)：具有優(yōu)秀品質(zhì)、高品質(zhì)因子的腔。目前腔增強(qiáng)也可以用在傳感上，如陀螺儀、粒子的傳感、聲學(xué)傳感等。原來的傳感如光學(xué)傳感，是基于光纖的線性傳感，它的傳感就是單次的光與物質(zhì)的相互作用，如果給它加一個腔就能把作用增強(qiáng)，從而大大增加傳感效果。

總結(jié)來說，目前光學(xué)微腔的研究主要集中在光源和傳感器這兩方面應(yīng)用：一方面要增強(qiáng)腔內(nèi)能量，應(yīng)用到激光增益中；第二方面是增強(qiáng)與物質(zhì)相互作用，增強(qiáng)傳感效果。

光學(xué)微腔仍需解決什么問題？發(fā)展方向是什么？

光學(xué)微腔面臨的主要問題是：如何讓光學(xué)微腔真正走出實(shí)驗(yàn)室？其實(shí)光學(xué)微腔在上個世紀(jì)中葉就有相關(guān)的理論提出，從上個世紀(jì)90年代開始大規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究，到現(xiàn)在光學(xué)微腔已經(jīng)發(fā)展30多年，現(xiàn)在所面臨的主要問題是一定要讓光學(xué)微腔真正走出實(shí)驗(yàn)室、走向應(yīng)用?，F(xiàn)在的光學(xué)微腔，要借助很精密的儀器，如顯微鏡，精密耦合機(jī)械結(jié)構(gòu)等才能實(shí)現(xiàn)微腔功能。但是在實(shí)際應(yīng)用中是無法滿足實(shí)驗(yàn)室的條件，包括隔溫隔震等環(huán)境需求。這意味著光學(xué)微腔需要有優(yōu)良的封裝技術(shù)。張老師課題組目前重點(diǎn)從事的就是將光學(xué)微腔做穩(wěn)固性封裝，使它具有更優(yōu)的抵御外界環(huán)境擾動能力，從而把光學(xué)微腔從實(shí)驗(yàn)室設(shè)備真正的走向應(yīng)用。光學(xué)微腔的器件化、模塊化、產(chǎn)品化才是真正發(fā)展的趨勢。

談國產(chǎn)儀器與期待

張方醒老師對國產(chǎn)儀器具有非常大的期待，他經(jīng)常用到光譜儀、探測器、示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、ESA電學(xué)頻譜分析儀等光電儀器，在儀器使用方面具備很多經(jīng)驗(yàn)。像張老師這樣的青年教師現(xiàn)在對國產(chǎn)儀器的信心也越來越足，目前很多國內(nèi)優(yōu)秀的廠商也在不斷推陳出新，都非常感興趣使用。張老師對電學(xué)，運(yùn)動控制這一塊的儀器更具期待，比如說頻譜分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀等，目前國內(nèi)的很多科研工作者需要用很高的溢價買國外設(shè)備的。張老師相信以中國的科研實(shí)力，肯定能突破現(xiàn)狀，提供更好地產(chǎn)品服務(wù)科研。此外，張老師對純光學(xué)設(shè)備也有信心，相信假以時日必將比肩國際水平。但是，我們也要意識到國產(chǎn)儀器的不足，一定要注重用戶體驗(yàn)，不僅是硬件指標(biāo)比肩國際，用戶交互等方面也期望能有提升優(yōu)化，相信經(jīng)過足夠的用戶使用反饋，國產(chǎn)儀器必將越做越好，突破卡脖子技術(shù)難題。

結(jié)束語

輕松愉快地訪談結(jié)束，張方醒老師在訪談中一直深入淺出的分享光學(xué)微腔在產(chǎn)業(yè)化面臨的現(xiàn)狀，讓更多人簡易理解科研人的研究思路。期待在不久的將來，張老師能夠?qū)崿F(xiàn)自己的科研夢，讓光學(xué)微腔真正的實(shí)現(xiàn)器件化、模塊化、產(chǎn)品化。 

個人簡介：張方醒，北京大學(xué)長三角光電科技研究院微納光學(xué)精準(zhǔn)檢測研究室副研究員，主要從事光學(xué)微腔物理以及新型光電器件領(lǐng)域的研究，研究成果在Physical Review Letters、Optica、Nanophotonics等國際知名期刊上發(fā)表。近年來主持/參與科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、江蘇省創(chuàng)新能力計(jì)劃-新型研發(fā)機(jī)構(gòu)建設(shè)等多個項(xiàng)目。