2018 年 7 月，剛剛從清華大學物理系畢業的本科生胡耀文即將開始自己博士階段的學習。在面對的博士階段研究方向上的諸多選擇，胡耀文最終決定來到哈佛大學，在馬可·隆卡（Marko Loncar）教授組攻研整合鈮酸鋰光子學方向。
對物理系的畢業生來說，整合鈮酸鋰光子學當時並不是研究的主流。但胡耀文認為，研究這個領域的問題會對光學晶片的發展很有意義。他說：“或許對一些人而言，研究物理的樂趣只是在於探尋自然的規律與美；但於我而言，我更希望我的研究能夠用自己的物理知識帶來實際的應用，對他人、對社會有益。”
圖 | 胡耀文（來源：胡耀文）
2021 年 11 月 24 日，25 歲的胡耀文，迎來人生首篇擔任一作的 Nature 論文，論文題為《片上光電頻移器和分束器》（On-chip electro-optic frequencyshifters and beam splitters）。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
發現全新光學器件——頻率的移相器和分束器
胡耀文表示，該論文涉及到光學晶片，研究中他發現了一類全新的光學器件——頻率的移相器和分束器。該器件可操縱光的頻率，操縱方式既高效又簡潔。
目前，光學領域的各種應用，都基於在光子的各個自由度上進行操縱。比如，用器件來操縱光子位置，使它保持在某個路徑，然後用路徑來編碼一些資訊實現通訊。還可操縱光子偏振，使光場保持縱向振動或橫向振動，來實現各種功能。
（來源：Nature）
偏振、位置以及頻率都是光子的自由度。該研究要解決的問題在於，儘管偏振，位置等各種自由度都有著很好的基礎器件來控制，對頻率的操控一直都不盡如人意，原因是在操控頻率時需要改變光子的能量。而能量是守恆的，因此改變光的能量需要複雜的非線性過程。
因此，這一過程不像操縱偏振和位置那麼簡單。這也是胡耀文打算做頻率的移相器和分束器的原因，因為它們倆代表著光子頻率操縱最基本的兩種方式，而別的操縱方式都可由這兩種操縱方式衍生出來。
對比來說，它的作用就相當於在光的偏振裡面的半波片、1/4 波片、以及偏振片一樣基礎。在光的頻率操控中，移相器的作用是把光的頻率從一個頻率完全轉化成另外一個頻率，而分束器的作用指把光的頻率成功分散在兩個其他頻率上，同時保持雙向性。這裡面涉及到光的頻率移相的尺度，即到底對光的頻率改變多大。
（來源：Nature）
頻率的尺度可分為三部分：兆赫茲（MHz）、吉赫茲（GHz）和太赫茲（THz）。赫茲是頻率的單位，這三個波段分別有不同的器件。兆赫茲一般使用聲學器件來實現，這時光子會吸收一個聲子的能量來改變自身能量。
對於更高的太赫茲，一般使用全光學器件來實現，這時光子會吸收別的光子能量來改變自身能量。然而，處於中間的吉赫茲波段，基本不存在很好的頻率移相器和分束器。
原因有兩點：首先，高頻段方法和低頻段方法，都難以到達這一波段。也就是全光學手段很難降到此波段，聲學手段則很難升到此波段；其次，能達到這一波段的其他方法，要麼效率很低，要麼需要很複雜的訊號，導致相應的頻移尺度比較低。但是，吉赫茲波段非常重要，它是目前所有電子器件都能相容的波段。
（來源：Nature）
當前的光通訊就是在吉赫茲波段。因此，胡耀文在該研究中製備的第一個器件，正是要解決上述問題。他說，我們的器件只需一個簡單的單頻連續微波就可以實現 30 GHz，而且效率很高基本在 90%，此外操作上也非常簡單，無需其他複雜訊號，而複雜訊號往往需要更昂貴或更困難的手段來生成。
做第一個器件時他提出了廣義臨界條件的理論，該理論延伸出的第一個應用便是該器件。由於該理論的用途比較廣泛，所以胡耀文把它拓展到了一種級聯效應（cascade）的理論，將頻移的大小拓展到了一個全新的尺度，並製備出了第二種光學器件來實現這一級聯頻移理論。
（來源：Nature）
第二個光學器件有這樣一個效應：如果光的頻率一開始被微波訊號改變了 30 GHz，那麼緊接著光就會再改變 30GHz，它會像連鎖反應一樣，並不會只停在第一次改變。這樣，能量就會在整個頻率空間流動，從而完成非常大的頻移。最終在實驗中，他展示了光的頻率可被改變 120GHz。
此前在該領域裡，沒有任何器件能產生這樣的新奇物理現象，該連鎖反應相當於能量在頻率空間的一連串的能級中、產生了一個單方向上的流動。
他表示，該物理現象是一個全新理論，同時在實驗上也取得了重大突破。任何微波器件想要到達 100GHz 以上都極其困難，像他之前研究的器件，要把光的頻率改變 30GHz，需要給它同樣大小的 30GHz 的微波來吸收，如果想要把光的頻率改變 100GHz，就要給它 100GHz 的微波，但是此前很難產生 100GHz 的微波。
而現在相當於只需要加 30GHz，即可達到超過 100GHz 的尺度。因此，第二個器件重點在於展現全新裝置，同時也解決了領域記憶體在的問題。
實驗結果“反直覺”，一度不敢相信
回憶研究歷程，胡耀文說在做第一個器件時，他所建立的理論和模擬所預測的現象，連導師都覺得是反直覺的。做實驗之前他有點拿不準，一直擔心理論會出錯。在解決諸多實驗細節之後，他第一次真正觀測到想要的現象。
他表示：“當然更加酷的是第二個器件。起初我們只打算把理論做完，因為第二個器件是全新的，其功能遠勝於第一個器件，但它的複雜度遠高於第一個器件。”
包括胡耀文導師在內的專家，在看到第二個器件理論時，都覺得在實際實踐中很可能會遇到很多以前沒想到的問題，最後器件也未必能做出來。但是，由於該團隊此前積累頗多，因此最終成功完成了第二個器件的製備並觀測到了對應的現象。
圖 | 相關晶片（來源：胡耀文）
該研究的最初想法，由胡耀文和另一位博後共同完成。其中，要先建立理論並確認是否正確，所以他先建立廣義臨界條件的理論，然後又運行了仿真確認。
之後，他開始進入實驗室製備器件，完成製備後又進行測量，經過多次測量後，他得到了想要的結果。之後第二個器件，同樣經歷了上述流程。
總的來說，研究步驟經歷理論、模擬、製備器件和測量等四大步，胡耀文負責其中三大步。測量這一步由他聯合論文第二、第三作者一起完成。
投稿過程中，第一個審稿人和第二個審稿人都很喜歡第一個器件，他們認為該器件成功地彌補了吉赫茲波段的空白。
可給光學網路和光學計算帶來較大幫助
在長遠的時間內，本次成果具備一定的潛在應用。比如第一個器件，它的應用可以分成四部分：第一，在原子物理等基礎物理的研究上，需要這種能把光改變吉赫茲頻率的大的尺度，這有助於更好地操作鐳射，實現更好的冷卻原子等；第二，微波光子學的各種研究都會獲益；第三，可給光學通訊帶來很大幫助；第四，可用於量子技術上。在量子技術裡，人們主要關心的是效率，而該器件的一個最大優勢是轉化效率很高，可直接用來構建量子網路和光量子計算機。
該研究所基於的技術，大概在最近五六年才剛興起。胡耀文的導師是該領域的創始人之一。藉助該技術，他們研發出各種整合鈮酸鋰光學晶片，其導師也已成立了相關公司，來落地各種鈮酸鋰晶片上的成果。
談及未來，胡耀文表示希望能夠繼續在鈮酸鋰光學晶片領域做出更多的突破，會把精力放在解決更多當前領域的難題上。他希望自己的工作未來能夠給更多的人帶來幫助，希望自己可以繼續努力，繼續學習，做出更多更好的成果。
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支援：李傳福
參考：
Hu, Y., Yu, M., Zhu, D. et al. On-chip electro-optic frequency shifters and beam splitters. Nature 599, 587–593 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03999-x
