近幾十年來，光學領域的突破和創新，改變著人類的生活。

  大約 20 年前，光學與微納加工的結合，催生了微納光子學這一全新的領域，并為人們帶來了新型片上光學器件。

  歷經 20 年的發展，大量芯片級別的光學器件應用，讓光學頻梳、雷達等不同領域實現重大突破。

  目前，微納光子器件主要基于簡單的片上結構，譬如單個波導和單個?諧振微腔等。

  與這些片上結構相比，耦合微腔能夠提供多個可重構的光子能級，產生高效的光子-電子相互作用。

  而從?單波導和單微腔拓展到耦合微腔的過程，也就像一個?把物理系統從單原子拓展到多原子的過程，會有大量新的光學現象和功能器件隨之涌現。

  因此，耦合微腔被認為是下一代頗具前景的光子學器件之一。

  然而，耦合微腔的復雜度明顯高于目前常規的片上光學器件，這使得相關領域的研究者很難對它進行控制和探索。

  ?北京大學物理學院?胡耀文助理教授、研究員的研究致力于發展基于?薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺，聚焦光電融合芯片應用。他通過該平臺實現了包括電光頻移器、光學頻梳等在內的一系列基于耦合微腔的光電調控器件。這些器件或在性能上超越了世界最高水平，或展現出前所未有的功能。

  憑借引領基于?薄膜鈮酸鋰?光子平臺的光電融合芯片研究，實現對片上光子高速、高效的光電調控，為實現未來全光電融合芯片提供全新發展路線，?胡耀文成為 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國入選者之一。

  發展基于薄膜鈮酸鋰的耦合微腔平臺，實現全球性能最高的電光頻移器和光學頻梳

  理想中的耦合微腔需要滿足許多苛刻條件，包括能夠提供?極低光學損耗的材料、高效率的耦合強度、極高的帶寬用于光學/電學控制，以及良好的可擴展性等。

  但此前的片上耦合微腔系統無法達成這些條件。

  在?胡耀文看來，薄膜鈮酸鋰?具備的光-電相互作用強、損耗低、可以大規模拓展等優勢，恰恰是耦合微腔所需要的。

  因此，他在過去幾年中，成功地構建了一個基于薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺。該平臺能夠提供?光子多能級系統，并可以在強耦合尺度下通過電光效應施加躍遷。

  與此同時，他也首次提出了?控制光場能量流動的廣義臨界耦合理論。

  基于上述平臺，2021 年，他把?廣義臨界耦合理論應用到?多能級系統與連續譜耦合的系統中，實現了超越世界最高水平的電光頻移器[1]。

  “簡單來說就是，該器件能夠通過頻率調控，高效且高速地改變光的顏色。”?胡耀文表示。

  從性能上看，這款電光頻移器不僅能將光頻率改變 ?10 至 30 吉赫茲，還擁有大于 99% 的平移效率和僅僅 0.45 分貝的片上損耗。

  此外，利用該平臺，?胡耀文還發現了級聯頻移這種之前光子器件中完全不存在的現象，即在只使用一個 30 吉赫茲的微波的情況下，將光的頻率改變了 120 吉赫茲。

  而這一過程中，光?單向的流動在頻率空間的能級中沒有任何反向轉換。

  “該成果的關鍵意義在于，只使用一個低頻率的微波（幾十個吉赫茲），就可以獲取超高帶寬的微波（?>100 吉赫茲，毫米波），極大地降低了對超高帶寬的毫米波尺度的相關研究與應用所需要的昂貴設備的依賴，為未來的器件開發提供更多可能。”胡耀文表示。

  從應用上看，該電光頻移器能夠在吉赫茲頻段提供世界上性能最好的頻移，并且級聯頻移又可以用低頻微波直接獲取?>100 吉赫茲的頻移。

  因此，該成果可以應用于所有需要光頻率調控的應用中，這既包括原子的激光冷卻等基礎物理方面，又覆蓋通訊、量子計算、雷達等領域。

  據胡耀文介紹，該研究歷時兩年左右，總共經歷理論構建、器件制備、性能測量和優化三個階段。其中，為實現更好的器件性能，他們在優化工藝上大概花費了一年多時間。

  “要想讓一項技術產生較大的影響力，一方面取決于概念上的創新，另一方面則需要盡可能地將工藝做到極致。它雖然是一個很枯燥的過程，但卻是必經之路。”胡耀文說。

  而在這個過程中，他也不可避免地遇到許多難以克服的問題。但只要看到一點可能性，他都會毅然決然地進行嘗試，并積極地求教于身邊的人。

  “有一次，基本上我們整個課題組三十多個人都知道我有這個問題，因為我把他們每個人都問了一遍。最后基于他們的經驗和我的反復嘗試，終于成功地解決了那個問題。”胡耀文說。

  另外，借助基于薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺，2022 年，他?將耦合微腔和廣義臨界耦合理論應用在電光頻梳領域，研發出具有超高性能的光學頻梳[2]。

  “相較于此前世界上最好的電光頻梳，該頻梳的轉換效率提高了 100 倍，并且帶寬也提高了 2.2 倍。截至目前，該成果的性能在全球仍然首屈一指。”胡耀文表示。

  那么，從應用上看，由于該頻梳在性能上顯著超越單個微腔的電光頻梳，因此可以完全替代單微腔電光頻梳，作為標準范式大規模生產。

  此外，他還將上述平臺應用于光學合成維度的領域，展示出四維的頻率晶體[3]和頻率空間的合成鏡面（反射率>0.9999）[4]。

  實際上，上述兩項研究都屬于基于薄膜鈮酸鋰光子平臺的光電融合芯片研究。

  談及這些研究之間的關聯與區別，胡耀文表示，它們都涉及到光子-電子相互作用，本質上相當于通過電子來調控光子，這也是該平臺的最大優勢所在。

  “它們的不同之處在于，頻移器是把光的顏色從一種變成另外一種；光頻梳的生成是把一種光的顏色轉換成很多種顏色，且這些顏色之間是等間隔的。”他說。

  計劃將研究從器件層面提升到系統層面，助力光電融合芯片領域實現更多突破

  2013 年，胡耀文考入清華大學物理系。在校期間，他曾獲得清華大學本科生特等獎學金、清華大學學生年度人物等多項榮譽。

  2018 年本科畢業后，他前往美國哈佛大學攻讀博士學位。上述成果都是他在這一時期實現的。

  2023 年 4 月起，他在哈佛大學從事博士后研究，持續推進新型的片上光子器件發展。10 個月后，他加入北京大學物理學院，擔任助理教授和研究員。

  如果從上面的個人履歷來看，胡耀文顯然是一位非常優秀的學生和科研人才。但他本人卻坦言，自己從小到大都不能算是他人口中“別人家的孩子”。

  “不管是初中、高中，還是大學，每當進入一個新的環境，我都基本上處于‘倒數’的位置。但得益于一步步的努力和堅持，以及對待困難時的那種韌性，我總能在去到下一個環境之前，走到當前環境中最‘Top’的位置。”他說。

  提到創新，他表示：“我一開始覺得，創新就是從無到有。但做了這么多年的科研以后發現，世界上絕大多數創新，其實都來源于遷移、模仿和結合。比如，將 A 領域和 B 領域已有的東西進行結合，放到 C 領域中，就能給 C 領域帶來非常大的意義。這就是我對創新的一種理解。”

  順著這個維度思考，胡耀文一般不會把創新歸結為靈光一閃，而是更傾向于在某一個領域持之以恒地進行量的積累。

  “當積累達到一定程度后，自然而然就能做出一些很重要的創新。”他說。

  如上所說，在入職北京大學之前，胡耀文主要完成了耦合微腔平臺的發展，并通過許多器件展示了該平臺所具備的潛力。

  在下個階段，他計劃將研究從器件層面提升到系統層面。

  例如，把耦合微腔頻移器拓展到系統層面，與基于周期性極化鈮酸鋰的單光子源相結合，制備頻率復用的確定性單光子源，或者用大量光電融合器件組成的光子電路來進行通用計算、光量子計算等。

  “耦合微腔平臺只是光電融合芯片的一個子集。未來我希望在該領域做出更多突破，將光電融合芯片的發展推至更遠。”胡耀文說。