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UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界
来源:Photonics Research | 2024/1/1 22:27:47 | 浏览:1427 | 评论:0

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)电气工程与材料学院的杰出教授John Bowers,是UCSB能源效率研究所所长,也是纳米技术领域Fred Kavli基金会主席。Bowers教授毕业于斯坦福大学,获得硕士和博士学位。在加入UCSB之前,Bowers教授曾在AT&T贝尔实验室和霍尼韦尔工作。他是Nexus Photonics、Quintessent、Aurrion、Aerius Photonics、Terabit Technology和Calient Networks等公司的联合创始人。Bowers教授是美国工程院院士,美国国家发明家科学院院士,美国物理学会(APS)会士,美国光学学会(Optica)和电气与电子工程师协会(IEEE)的会员。他是IEEE光子奖,OSA/IEEE廷德尔奖,OSA Holonyak奖,IEEE LEOS William Streifer奖和年度企业家奖的得主。2007年,他和同事因发明混合硅激光器获得了EE时代年度电子创新奖(ACE)。

英文全文已公开发表于Photonics Research2023年第11期,欢迎查看:

Lin Chang. Photonics Research Interview with Professor John Bowers[J]. Photonics Research, 2023, 11(11):1987

杨兰:大家好,我非常荣幸地介绍我们的特邀嘉宾——John Bowers教授,他来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校,是光通信集成光子学领域世界知名的领导者。除了在学术界的成就之外,他还是一位非常成功的企业家,创办了多家初创公司,包括Terabit Technology、Calient Networks、Nexus Photonics等。此外,他还是一位杰出的教育家,为许多人提供了教育指导和机会。迄今为止,他的团队中有二十多位成员在全球各地高校院所中担任教授,还有二十多人创办了自己的公司。他还创立了加州大学圣塔芭芭拉分校的创业中心和工程管理项目,其后来发展成为具有技术管理硕博学位的技术管理系。此外,他还创办了一个非营利组织——"Unite to Light",旨在为资源有限的地区提供低成本的健康光源。

常林:我今天很高兴能与John进行这次对话。我在您(Bowers教授)带领的UCSB团队度过了八年时间,在您的指导下,完成了博士学位,见证了许多技术的发展和改变世界的过程。您的领导才能、对研究课题的敏锐洞察和商业化能力是实现所有这些成就的关键。我从您身上学到了很多东西,我相信许多研究人员也会从您的经验和成就背后的故事中受益匪浅。我一直很好奇,您是如何对硅基光电子学产生兴趣的呢?

John Bowers:谢谢你,常林。有你在团队的时间非常愉快,你取得了很多成就。我很高兴能在这里进行对话。我开始对硅基光电子学产生兴趣是因为我们使用了氮氧化硅波导,这大大降低了光波导的损耗,使光学陀螺仪、光学存储等新应用变为可能。

这令人兴奋。但是,集成激光器、调制器和探测器与这些波导结合,能产生更多新的可以大规模量产、低成本的应用,例如收发机。这些可以跳过复杂工艺、利用现代封装制造可扩展的器件,其前景非常令人期待。

常林:是的,硅基光电子学现在已经成为学术界和工业界非常热门的话题。您能谈一谈为什么它现在如此重要吗?您在硅基光电子学方面的工作如何在过去几年改变了我们的世界,并在未来产生持续的影响?

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

1982年左右,Bowers教授在贝尔实验室

John Bowers:电子学和光子学之间正在发生非常有趣的融合。将数据从芯片取出方面,电子学存在限制,随着通信速度的不断提高,铜导线连接已经不具备竞争力。它们消耗过多的能量,需要经过很多的均衡和信号再生。因此,仅用于长距离的光通信,发展到现在应用于机架之间的连接,甚至是芯片之间的连接。硅基光电子学被用于每个高容量交换芯片、每个高速GPU、TPU或处理器以及高带宽内存的前景非常令人期待。相对地,为了制造真正先进的收发器,我们需要与之紧密集成的电子学器件降低所需功率。

这是一个非常激动人心的时代。要将这些光子解决方案与电子学集成,它们必须在硅上实现,这样可以匹配集成电路的热膨胀系数,并真正利用现代封装技术的优势。这在iPhone等产品上已经存在。所以,光子学不再需要金盒子。我认为硅基光电子学将在未来改变我们的世界,因为它不仅仅为收发器和电信提供了高产量、低成本的解决方案,还将改变医疗保健、传感器、交通等众多领域。这些领域是传统光子学因为成本过高而无法应对的。

常林:听起来很棒。您在2006年成功地将III-V材料与硅波导结合,被认为是硅基光电子学的一个里程碑。这也是硅基光电子学中集成激光器的起点。您能分享一些这项工作背后的故事吗?在实现这一目标时克服了哪些挑战?

John Bowers:我们曾经开发了不同材料的键合技术,用于实现高亮度LED(由现任麻省理工学院教授Rajeev Ram负责),以及在电信波长下的高性能光集成电路,这是成功的。我非常确信可以使用键合技术将III-V材料与硅结合,而不会出现外延生长材料或有缺陷的材料产生的退化和性能问题。当然,我们遇到的挑战在于III-V材料不在硅芯片产线中,这令人担忧。但它们都是掺杂材料,只要有铜线连接,我认为可以很好地运行。

常林:为什么您认为在硅上集成激光器如此重要?能谈一谈异质集成激光器在硅基光电子学中的影响吗?

John Bowers:当掺铒光纤放大器(EDFA)改变光纤网络时,我们都意识到了增益的重要性。在光网络中引入增益,可以建立更大、更复杂、更便宜的网络。这对电子学而言也是如此:没有增益,就无法制造出有趣的集成电路。所以,虽然全世界很多人专注于通过硅锗实现增益区,但我非常清楚间接带隙永远不会有竞争力,它们的效率不会像铟磷化物或砷化镓技术那样高。要实现激光器和硅基光电子学的集成,需要直接带隙材料。我们最初称之为“混合集成”,但现在更准确地称为镓磷化物、磷化铟和硅的“异质集成”。而且,带有很多缺陷的增益区域通常无法具备良好的性能、高效率或高可靠性。通过在完好材料上生长的材料进行键合,我们可以实现比单独的砷化镓或磷化铟晶圆更大的尺寸。

常林:您认为异质集成硅III-V激光器已经商业化了吗?

John Bowers:是的,它已经商业化了。英特尔公司在这方面处于完全领先地位,他们每年生产数百万个收发器。此外,Juniper(现在是Openlight)也在研发这一技术。所以,我认为它解决了很多问题。例如Infinera是一家非常成功的光子集成电路公司,他们通常需要进行五到六个外延生长步骤,以制造激光器、调制器、探测器,或者将接触电极与波导集成。这五到六个再生长步骤成本高,并且限制了产量。但通过异质集成,我们可以将所有材料同时进行键合处理。这是真正的优势。此外还可以获得更宽的增益范围,我们可以将可见光器件、红外光器件和远红外光器件组合在同一块芯片上。我认为异质集成确实解决了面向高产量、低成本应用的许多商业问题。

常林:听起来很棒。在最初的工作之后,您继续领导我们的团队,在硅基光电子学领域取得了许多其他重要突破。您能谈一下其中几个重要的突破吗?

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

2021年,Bowers教授手拿着硅基光电子集成的异质激光器晶片

John Bowers:可能最重要的一个就是我们一起做的,而你在其中起了重要的领导作用,那就是首次在铌酸锂上制作高约束的波导,用于二次谐波产生,然后转向砷化镓。高约束的波导使得铌酸锂器件的性能优于原生的衬底。对于砷化镓也一样,当把砷化镓放在四周环绕着SiO2的硅衬底上时,就能获得非常高效的二次谐波产生和组合波产生,远优于在原生衬底上的效果。因此,在硅上的异质集成比在砷化镓或铌酸锂上的效果更好。

这非常令人兴奋,一旦我们将激光器与这些新的低损耗器件集成在一起,就会得到有趣的组合光源,并获得非常窄的激光线宽。洛伦兹线宽已经小于十分之一赫兹,我认为可以达到毫赫兹级别。因此,将硅平台的超低波导损耗与增益或非线性器件相结合,可以制造出更好的器件。我们最初尝试制造出与原生衬底上的激光器一样好的硅激光器,但我们现在可以在硅上制造出比原生衬底上更好的激光器。我们一直认为半导体激光器的噪声比气体或固体激光器要大得多,但现在可能会有更低的噪声,这将开启许多新的应用。

常林:您在之前的问题中提到了混合集成,有几种不同的集成策略,比如单片、混合和异质集成,对于硅基光电子系统的未来,您是怎么看待这些不同的集成策略?

John Bowers:大多数人使用混合集成。激光器可以与光子集成电路进行光纤耦合,或者可以相邻放置,这种方法确实有效。对于制造窄线宽激光器,这非常好用,但不是一种可扩展的、大规模的方法。另一方面,当采用异质集成时,将III-V材料键合到硅上,可以对激光器、调制器、探测器的集成同时进行,接触电极也一次性制作完成。这将获得晶圆级别大规模测试的所有优势。这对于大规模的低成本系统非常关键。

我认为单片集成最终会变得重要。目前来看,性能和可靠性方面还有所欠缺,但单片集成的发展非常迅速。最近,我们一直在研究在300 mm晶圆上外延生长量子点激光器,效果相当不错。我们可以获得超过100 mv的输出功率和相当好的可靠性,但还没有异质集成那样先进。

常林:您提到了集成窄线宽激光器方面取得了很多进展。为什么窄线宽激光器对硅基光电子学非常重要?

John Bowers:窄线宽激光器最明显的应用包括相干通信,特别是在实现更高调制格式的QAM时。总体而言,光陀螺需要窄线宽激光器,光谱学也需要窄线宽激光器。线宽可以视为频率或相位噪声的衡量标准。通过将分布反馈激光器与谐振腔集成,我们发现频率噪声和相位噪声可以降低70分贝甚至更多。这对于各种传感器、尤其是光谱设备和其他设备都有很多优势。通过降低这种噪声,微光子学的性能得到了显著提高,我认为这非常重要。

常林:过去几年微梳已经成为一个非常热门的话题,而您是该领域的领导者之一。微梳对硅基光电子学产生了什么影响?

John Bowers:首先,微梳可以作为非常重要的梳状光源。微梳有数百个或数千个波长,这些波长之间有非常精确地间隔,这非常重要。通过使用两个重复频率稍有差异的微梳,可以进行双梳光谱技术,它比传统的光谱测量系统更好,并且更紧凑、成本更低。我认为还会发现更多应用。这是一个非常令人兴奋的领域。

常林:您能谈一下我们最近在硅基光电子学领域展示的光频合成器和原子钟吗?您认为未来我们能够将整个这样的系统集成在芯片上吗?

John Bowers:目前大多数光学系统使用一台或几台激光器。在这种情况下会有不同的选择,但最近的成果重点是利用具有数百个紧密控制波长的频率梳光源与相对复杂的硅基光电子集成电路,我们可以展示非常高容量的通信(如《自然》杂志的论文中所展示的2TB),或者展示复杂的微波光子学。所以,常林,你带领了这个项目并且取得了成功。我很高兴能够为这个项目提供支持。

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

2021年,Bowers教授在实验室手拿着太阳能照明灯

常林:谢谢。您与Nexus Photonics公司合作发表了一篇在《自然》杂志上的论文,克服了硅基光电子学领域的一个长期瓶颈。您能谈一下这项工作,以及它将如何影响未来的硅基光电子学吗?

John Bowers:当然。大多数硅使用硅波导,并且在1.3 μm和1.5 μm波长的数据通信和光通信领域取得了很多成果。但是硅在可见光区域会吸收光。与Nexus Photonics合作的那篇《自然》论文是关于氮化硅波导和较短波长增益区的集成。我认为现在与Nexus推动的980 nm波长的研究只是个开始,未来会推动更短波长的研究,这将开辟许多新的应用领域。关键是要将增益与氮化物波导结合起来,而不是硅波导。从某种意义上说,这是一个更困难的问题,因为III-V材料和硅的折射率几乎相同。所以,它们之间的耦合相对容易。但是氮化硅波导,特别是较薄的氮化硅波导,大部分能量都在氧化硅包层中,这样可以获得最低的损耗,其折射率为1.5。所以,从这个折射率为3.5的材料耦合到折射率为1.5的材料是一个更困难的问题。正如论文所展示的,可以实现非常高效的耦合(小于1 dB的损耗),并且在这些界面上几乎没有反射。对于那些演示的可调谐激光器,能够实现平滑调谐而不会在界面上产生反射非常关键。那篇论文真正令人兴奋的是这些激光器可以到185℃下仍然输出连续波。这使得我们能够制造不仅仅局限于室温操作、而且不需要温度冷却的可调谐激光器。通过在芯片上进行波长测量,可以实现这种激光器的无冷却运行,适用于几乎任何应用。一旦有了可见光波长方面的进展,许多用于增强现实/虚拟现实、原子钟和其他重要领域的应用也将成为可能。所以,我认为那是一篇重要的论文。

常林:确实如此。您最近几年在顶级期刊上发表了许多论文,您能谈一下出版过程对您的职业发展有什么益处吗?

John Bowers:俗话说“不要把您的光藏在篮子里面”,在PR 这样有许多人阅读的、声望很高的期刊上发表自己的工作非常重要。我在PR 上发表了8篇论文,它们被广泛引用,所以我很感激PR 有广泛的读者群体。我经常告诉学生们一个关于发表论文的故事,涉及到赫伯特·克罗默(Herb Kroemer),他因发明双异质结激光器而获得了诺贝尔奖。有趣的是,他最初的论文被拒绝了。我总是告诉学生们,如果你的论文被拒绝了,不要泄气。赫伯特因此获得了诺贝尔奖。幸运的是,他没有轻易放弃。

关键是不要轻易放弃,对你正在进行的研究的重要性有自己坚定的看法。赫伯特重新提交了他的论文,并被发表了。他还提交了一项专利并获得了授权。所以,他获得了相应的认可。但是,在1962至1963年,当时进行激光研究的人们并不知道他的工作,这很不幸。如果他在激光领域的一个团队工作,他可能会更早地对该领域产生影响。所以,让人们了解您的工作非常重要,不要把您的光藏在篮子里面。

常林:这也是一个对我非常重要的建议,我也会把它教给我的学生们。除了卓越的科学成就之外,您还因在学术界与工业界之间的技术成果转化方面取得了巨大成功而闻名。您能分享一下您在技术商业化方面的经验吗?

John Bowers:我不知道自己如何做到的。许多人做得比我好得多,但是如果能让像英特尔这样的大公司接受你的研究并将其商业化,会是最好的结果。在公司和会议上发表演讲非常重要,但很多时候是已经做了很好的研究,却没有人采用它。在很多情况下,只有发明者自己看到了价值。但如果没有人理解这份价值,它就会慢慢地消失,这需要成立公司使其商业化。我很幸运能够与许多聪明的学生一起工作,他们将创意的想法和研究发展成了公司。

幸运的是,加州大学非常乐于将技术授权给发明者,他们一直对我非常支持。我曾经利用三次休假来考虑创办公司的事情,加州大学一直非常支持我。

常林:您是一位非常好的导师。正如杨教授提到的,我们的团队有很多人创建了自己的公司,并取得了很大的成功。您对于那些想在硅基光电子学领域创办初创企业的研究人员有什么建议?

John Bowers:正如Wayne Gretzky说过的,应该滑向冰球要去的地方,而不是它现在所在的地方。如果创办一家公司,不能做一些立即能够应用的东西,就需要跨越现有的公司和技术,取得突破。当你在建立公司的时候,其他人都在努力发展他们的技术,你必须找到一个能使你的公司具有竞争优势的创新点。好的想法很重要,但要假设其他人也想到了它,所以必须非常迅速地行动起来,实施、并顽强地做下去,不能放弃。也要预见到会有很多低落的时刻,但仍然非常积极地追求你的目标。

常林:是的。我们课题组有二十多人成为了教授。如果您今天是一名研究生,考虑到现在社会对研发的支持的程度,您会选择学术界还是工业界的职业?

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

Bowers教授研究团队在2022年的合影

John Bowers:我很幸运能够两者兼顾。我最开始在实验室工作,那里学到了很多东西,并与许多优秀的人合作。我很幸运能够在加州大学圣塔芭芭拉分校,他们给了我一个跨越界限的机会。无论是学术界还是公司,都是改变世界的途径,这才是最重要的事。选择学术界还是公司,取决于你的爱好。我喜欢教学。看到学生取得成功,我感到很高兴,我为你们的成就感到骄傲。我从中获得了快乐,所以学术界的职业非常适合我。

常林:您对那些想要在学术界从事教职的人有什么建议吗?

John Bowers:首先是在博士后阶段做好研究。在许多情况下,你可以在得到博士学位后直接进入大学就职,但要获得一个真正好的学术职位是困难的。你可能会和很多其他人竞争。优秀的博士后经历可以帮助你在更好的大学获得更好的职位。但总的来说,在整个人生阶段,始终要不断学习,不要固步自封。如果你选择在博士毕业学校做博士后研究,请确保研究方向有所不同,可以从中学到新东西。

我在研究生时期曾研究固体物理,具体方向是氧化锌,然后是硅——我利用已有的电子材料,将其应用在硅上。但在博士后期间,我从事了光纤领域的研究,这对我来说是一个很大的转变。我在从中学到了很多东西,这在我进入贝尔实验室时给了我很大的优势。

常林:另一个有趣的问题是,除了是一位伟大的科学家,您还是一位出色的自行车手和滑雪运动员。我记得您曾骑自行车穿越整个美国。您是如何对这些爱好产生兴趣,并怎样保持工作与生活的平衡呢?

John Bowers:这是因为我看了一部关于骑行穿越北美大陆分水岭的电影,激发了我的兴趣。我认为关键是要在长期的过程中保持健康,不要让工作消耗你的精力,不要让健康状况恶化。锻炼对于保持活力非常重要。在我年轻的时候,我曾经跑步、踢足球和打网球,但是我的膝盖现在不太好了。所以,骑自行车是保持身体健康的一种方式。我记得当我在贝尔实验室与Tom Wood和其他人一起工作时,我们每天午饭时间都会去跑步。我们回来的时候,大约有十个人,我们的老板有点生气,因为我们都在午饭时间去跑步。当他们询问时,Tom Wood很聪明,他说:“我们只去那些在一个小时内能够到达的地方,所以我们把跑步安排在午休时间。”但无论选择什么运动,都很不错。

UCSB硅基光电子学奠基人John Bowers:这一技术将在未来改变世界

2022年,Bowers教授在科罗拉多州Vail度假村滑雪

常林:这是一个非常有趣的故事。最后,您有没有其他对年轻研究者的建议?

John Bowers:找到自己热爱的事物,并坚持不懈地追求它。去成为某个领域中最优秀的人。当获得博士学位时,你应该比世界上任何人都更了解你的研究课题。这需要努力工作,预料到会遇到的挫折和低谷。但是要相信你所做的事情是正确的,无论是获得博士学位还是追求某个特定的想法。所以,改变世界。你可以从事非常广泛的研究,也可以选择非常专注的领域,但是要做一些对世界有影响的事情。有时候,当学生询问某个课题时,我会说,好吧,也许你说的方法可以奏效,并且会取得成功,但是有人会在乎吗?确保选择的研究对世界真正有影响。我们在这个星球上的时间有限,所以利用我们拥有的时间让世界变得更美好是很重要的。

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