中国原创！他们在“无人区”见到“曙光”

文 ｜ 《中国科学报》记者 韩扬眉


今年，中国科学院物理研究所研究员陆凌终于在“无人区”见到了“曙光”。


这一科研“无人区”是中国原创半导体器件。陆凌带领团队将自主原创的拓扑光腔应用于面发射半导体激光芯片中，研制出拓扑腔面发射激光器，从原理上突破了当下半导体激光的技术瓶颈，具有远超同类商用产品的指标和性能。


“我们正努力推进拓扑腔面发射激光器的实用化。”陆凌相信，在中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（以下简称青年团队计划）的支持下，中国原创半导体器件距离走进千家万户的那一天不会太久。


陆凌（右一）与研发团队骨干成员合影。 受访者供图

回国，坐标“无人区”



回国前，陆凌从事的是拓扑光子学研究。2014年，他为《自然-光子学》撰写了“拓扑光子学”的同名综述文章，首次提出了这一概念。2015年，他在该领域的相关工作获评美国物理学会“年度八大进展”和欧洲物理学会“十大年度突破”。


回国后，老一辈科学家对陆凌提出了更高的要求，“做出一些有实用价值的工作”。


事实上，自1980年拓扑物理领域出现第一个标志性实验算起，至今已有42年，该领域诞生过3个诺贝尔奖。


“拓扑物理的鲁棒性明显可以用来改善器件的稳定性，这也是该领域科学家一直期盼的。”陆凌告诉《中国科学报》。然而，这一想法落实到具体原型器件上却一直未能取得突破。


这恰恰也是陆凌所希望的突破。“一个领域想要有持久的生命力，必须进入社会方方面面，产生更大的影响力。”陆凌说。


半导体激光器（芯片）在生活中无处不在，互联网光纤通信、手机结构光人脸识别、自动驾驶的激光雷达等应用背后都需要它作为光源。


这是陆凌最熟悉的器件，也是他博士论文的研究课题。从那时起，一个问题就开始在他脑海中浮现：“究竟什么是最好的半导体激光器？”


半导体激光器因体积小、效率高、波长广、价格低，是目前应用最广和最受欢迎的激光器，但是功率低和光束质量差极大限制了其应用场景。同时克服功率低和光束质量差的弱点，是半导体激光器的技术瓶颈的关键突破口。


发现一个微妙的“联系”



一方面是基础领域的应用难题，另一方面是主流器件的技术瓶颈，陆凌发现，两者之间存在着一直都被忽视的联系。


对于半导体激光芯片而言，单模器件因其最纯的光谱和最高的光束质量，是众多应用场景的首选，如光纤互联网的光源“分布式反馈激光器”和手机中用于人脸识别的“垂直腔面发射激光器”。


然而，单模激光器的核心难题在于如何选模，以便让一个独特的激射模式与其他所有模式做最大区分。


当下最优设计是在一维周期亚波长结构中引入一个特定缺陷，用这个缺陷态来保证稳定的单模激射。


若想继续提高单模功率和光束质量，一个方案是采用二维微纳结构（即光子晶体）在更大面积上来选模。


目前，由日本科学家研发的二维光子晶体面发射激光器已有20多年历史，具有高功率、窄发散角等多方面优势。


不过，问题依然明显存在：选模的设计依然在二周期结构的技术路线上慢慢演进，没有一个全局稳定的最优解。


陆凌意识到，当前，主流产品中的一维缺陷设计其实是一种拓扑缺陷，其数学结构与拓扑物理中最简单的一维模型完全一致，“也难怪这样的设计会最稳定，背后其实隐藏着拓扑机制的‘保护’”。


陆凌表示，这一微妙的联系似乎是40多年以来，来自拓扑物理和半导体激光两个领域的人都未曾认识到的，毕竟一维结构的设计和优化比较简单，并不需要抽象的拓扑理论，但二维结构就不一样了。


在充分领会这一联系后，二维结构的最优解呼之欲出。


陆凌找到了与一维情况相对应的二维拓扑缺陷模型，先在光子晶体中实现了所对应的拓扑光腔，再把它应用到半导体激光芯片上……拓扑腔面发射激光器终于孕育而生。


经过实验室的首批测试，该激光器在功率和发散角上多数量级地超越主流商用器件，这对于当下自动驾驶、虚拟现实所需的三维感知和激光雷达等新兴技术有重要意义。


“当前的半导体产业基本由西方发达国家引领，国内产业要么被‘卡脖子’，要么产品落后。我们迫切需要一个由中国原创、具有颠覆性的下一代半导体核心光电器件。”陆凌说，这是他的目标。


期盼有更多迎接挑战的年轻人





对于学术，陆凌纯粹且理想主义。“做有价值的研究”是他内心坚定的追求。


然而，回国6年来，不断有学生希望加入课题组，却在短暂停留后离开，陆凌心中五味杂陈。大多学生是被“吓跑了”，因为他们担心挑战大、论文少、毕业晚……陆凌慢慢理解，“不是所有人都适合前往‘无人区’”。


陆凌并不认为，做不出来就意味着失败，“当你在尝试解决一个重要问题时，某个方向走不通了也很有意义，比完成一个简单的工作要有价值得多”。


“不过，做得好是要付出代价的。”陆凌说，要思考得更深入、做得更周全、瞄准更长远的目标，甚至牺牲短期的利益，而这正是科研该有的样子。


事实上，拓扑光腔并不是陆凌布局的唯一方向。回国后，他在相关领域方向多有规划和尝试，很多研究也在“孵化”中。


如今，有了青年团队计划的支持，与陆凌同行的年轻人逐渐稳定下来。


“我们不需要急于争取各种项目，只需要与有志向的年轻人携手合作，集中精力，专注攻关。”陆凌期待未来有更多愿意迎接挑战的人加入。


未来的道路还很长，拓扑腔面发射激光器的极限在哪里？它是否就是那个最好的半导体激光器？其他方向是否还可以有更大的突破？这些问题都还有待探索。


不过，陆凌确信，拓扑腔面发射激光器具有给现有光子学技术带来变革的可能性。


他和团队将与企业合作，努力开展拓扑腔面发射激光器从样品到商用的攻关，推动我国自主原创的半导体器件走进千家万户。