2023 年的諾貝爾化學獎被授予三位研究量子點的科學家。而在前不久，美國加州大學聖塔芭芭拉分校博士後董伯彰和所在團隊，恰好發表了一篇關於量子點的論文。
圖 | 董伯彰（來源：董伯彰）
研究中，他們成功造出一顆可用於光纖通信波段的調頻光頻梳，讓量子點可以作為雷射器的增益介質。同時，他們首次系統性地報道、並討論了量子點鎖模雷射器中的調頻鎖模現象及其產生的機制。
目前，量子點鎖模雷射器已被成功用於業界。而調頻鎖模技術有助於進一步提升其應用潛力。調頻光頻梳的一大優勢在於具備超大的光學帶寬，如果將其用在光纖通信波段，就可與密集波分復用系統結合以提升光電晶片的數據傳輸容量。
而利用量子點作為雷射器的增益材料，不僅可以實現高效的調頻光頻梳輸出，更能進一步提升片上光源的電光轉換效率。
同時，量子點雷射器是矽光晶片的理想光源，與矽光結合可以進一步降低晶片的製造成本。
「在此之前，已經有多個來自歐美的團隊報道稱，量子點鎖模雷射器的傳輸性能可以達到 10 太比特每秒的量級，而我們要強調的正是調頻鎖模技術的大帶寬所能實現的功能。」董伯彰表示。
（來源：Light: Science & Applications）
打造超大帶寬光頻梳，以用於高速光子集成電路
如今，當我們談起鎖模雷射器或光學頻率梳的時候，更多是指其調幅特性，而這與其發展歷史密切相關。1960 年，美國科學家西奧多·哈羅德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）報道了世界上第一台雷射器。在這之後的五年內，人們陸續在氣體雷射器和半導體雷射器內發現鎖模現象，深刻影響了雷射器的後續發展。
鎖模效應，指的是雷射器不同諧振模式之間存在固定的相位關係，而且在理想情況下不隨時間變化。一般來說，鎖模可以通過對腔內光場進行周期性幅度調製實現，這在雷射輸出上會體現出一系列周期性的光脈衝，也就是調幅光頻梳。
由於超快光脈衝在雷射加工、探測和遙感等領域具備廣泛的應用前景。自 20 世紀 60 年代起，調幅光頻梳得到了充分研究和發展。
1964 年，美國史丹福大學史蒂芬·哈里斯教授（Stephen E. Harris）和羅素·塔格（Russell Targ）教授報道了氦氖雷射器中的調頻鎖模現象。
相比調幅鎖模雷射器，調頻鎖模雷射器在時域上呈現出類連續波的輸出。由於調頻鎖模效應無法實現人們所期待的光脈衝輸出，故針對它的研究逐漸趨於平淡。
上述現狀直到 2012 年才得到改變。當年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院傑羅姆·法斯特（Jérôme Faist）教授和團隊，在用於中紅外波段的量子級聯雷射器中發現了自鎖模現象。
顧名思義，這種鎖模效應只需通過一段增益介質和一個簡單的法布里-珀羅腔便能實現，無需藉助任何外部幅度調製工具。有趣的是，該雷射器無法輸出傳統意義上的光脈衝。
至此，幾乎塵封半個世紀之久的調頻光頻梳重新走入大眾視野。隨後人們逐步揭開了調頻鎖模雷射器的神秘面紗——超快光學增益介質所帶來的極致光學非線性。
由於量子級聯結構的存在，載流子可以實現皮秒級別的帶內躍遷，從而帶來極強的空間燒孔（spatial hole burning）和四波混頻（four-wave mixing）效應，進而實現腔內光場的頻率調製。這也是傳統載流子帶間躍遷的量子阱雷射器所無法比擬的。
同時，大量研究表明調頻光頻梳可以帶來比傳統調幅光頻梳更大的光學帶寬，這使其擁有廣泛的應用前景。
儘管調頻鎖模理論在量子級聯雷射器中已得到較為充分的研究，但調頻光頻梳的應用潛力尚待發掘。受限於量子級聯雷射器的工作波段，目前高性能的調頻光頻梳主要用於中紅外波段。
然而，在通信技術更為成熟的近紅外波段，理論研究和實驗研究都證明調頻光頻梳無法在傳統量子阱雷射器中高效輸出，導致其超大的光學帶寬的優勢無法被充分發揮。
量子點結構的構想最初由日本東京大學荒川泰彥（Yasuhiko Arakawa）教授於 1982 年提出，他指出在量子阱結構的基礎上可以將半導體材料生長為三維 10 納米左右的立體結構，從而實現對載流子流動的進一步限制。而該研究的最初目的旨在提高增益介質的電光轉換效率。
然而，對載流子施加三維限制也帶來了離散的半導體能級結構，這讓量子點兼具量子阱與量子級聯結構的特性，遊走其中的載流子進行緩慢的帶間躍遷，也能實現快速的帶內躍遷。
早在 2000 年，德國柏林工業大學迪耶·比姆貝格（Didier Bimberg）教授和團隊已經報道過上述現象。但是，在之後的一段時間內，學界並沒有將其與調頻光頻梳技術建立起聯繫。
事實上，量子點鎖模雷射器中的調頻效應在一定程度上被調幅效應所掩蓋著。由於大部分報道的量子點鎖模雷射器，都可以實現典型的調幅光脈衝輸出，所以學界普遍認為它仍然是屬於載流子帶間躍遷的雷射器，也就是說它只不過是量子阱結構的進階版。
儘管如此，依舊有一些課題組比如來自加拿大國家科研中心的一支團隊，報道了量子點雷射器中的自鎖模現象。直到 2012 年，一個來自歐洲的聯合團隊報道了一顆無脈衝輸出的量子點自鎖模雷射器，只是當時他們還沒有意識到那是調頻鎖模效應。
十多年後的今天，量子點雷射器中的自鎖模效應，正被逐步認為是調頻鎖模效應，但還有至少三個問題並未得到充分解答。
其一，量子點雷射器中的調頻鎖模和調幅鎖模效應究竟通過什麼條件觸發和關閉的？
其二，一些自鎖模量子點雷射器中的超快脈衝輸出到底該如何解釋？
其三，包含可飽和吸收體的被動鎖模量子點雷射器所輸出的究竟是調幅光頻梳還是調頻光頻梳？
如果連雷射器的輸出性質都無法確定的，後續發展勢必會受到影響。因此，董伯彰的研究目的很明確，就是找出該現象背後的原因，並利用調頻鎖模技術實現超大帶寬光頻梳，從而用於高速光子集成電路。
（來源：Light: Science & Applications）
從「我沒被說服」，到「思想上的變革」
儘管本次論文發表於董伯彰的博後期間，但是此次課題的確定則能追溯到他在剛讀博時的第一個課題。
當時，他的主要研究方向是量子點被動鎖模雷射器的非線性動態。其發現，對可飽和吸收體施加反向偏壓可以提高光譜帶寬，並能同時提高雷射器的線寬展寬因子。
按照調幅鎖模理論，一般對前者的解釋是：可飽和吸收體上的反向偏壓會壓縮光學脈衝的脈寬，從而提高光譜帶寬。
然而，受限於當時的測試條件，他和同事無法得到更多的數據，只能按照既有理論去理解這一現象。
「至於後者，我們知道雷射器的線寬展寬因子會直接影響雷射器的性能，例如噪聲水平和對外部光學反饋的敏感度。那麼，雷射器的光譜帶寬會不會也在一定程度上受到線寬展寬因子的影響？可能二者之間並無直接關聯，但我無法做到忽視它們之間的相關性。」董伯彰說。
但在當時，對於這一問題他暫時沒有答案。甚至這個問題在當時根本就不存在，因為據他所知這是第一次有研究結果顯示雷射器的線寬展寬因子與可飽和吸收體上反向偏壓具有相關性，以至於現有理論模型並沒有把這個效應考慮進去。
「後來因為種種原因，我沒能在讀博期間解決這個問題，但它卻在我心中埋下了一顆種子。」其表示。
等來到加州大學聖塔芭芭拉分校之後，他終於有更多時間去思考上述問題。就在這時他接觸到了量子級聯雷射器的鎖模理論，並了解了調頻鎖模效應。
其表示：「在此我需要感謝來自奧地利維也納理工大學的 Benedikt Schwartz 教授團隊，閱讀他們的理論論文實在是一種享受。他們指出量子級聯雷射器中的光學克爾效應受到線寬展寬因子的直接影響，並有助於提高光譜帶寬。」
於是接下來問題是：能否使用調頻光頻梳的理論，去解釋量子點雷射器？這兩種雷射器有沒有共同點？
後來董伯彰驚喜地發現，幾乎所有量子點雷射器的理論和實驗結果都在指向調頻鎖模現象。理論基礎已經建立，最後一步便是直接測量出調頻光頻梳動態。
研究期間，董伯彰導師對他說的最多的一句話就是「我沒被說服」，所以他不得不用更多研究結果去說服導師。而如果沒有導師的鞭策，他可能也不會去盡力完善這項工作。
直到董伯彰最終嚮導師證明了調頻光頻梳現象，後者用「思想上的變革（evolution of thinking）」來評價這項工作。
另外，研究期間董伯彰曾和奧地利維也納理工大學尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有過交流。後者從一開始不相信量子點雷射器也能像量子級聯雷射器一樣高效地輸出調頻光頻梳，到後來著手參與理論建設，最後認可了董伯彰的結論。「而他對於半導體物理的深層次理解，也給工科出身的我提供了很多新思路。」董伯彰說。
日前，相關論文以《寬頻量子點調頻梳狀雷射器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）為題發在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通訊，加州大學聖塔芭芭拉分校約翰·鮑爾斯（John E. Bowers）教授擔任共同通訊 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Light: Science & Applications）
董伯彰說：「接下來的工作有兩個方向：一個是溯源，一個是發展。我希望不僅是我們團隊，也能有更多同行參與到這項研究中來。我們希望與更多的理論學家合作，從而將調頻鎖模理論適配到量子點雷射器中。同時，我們也會關注調頻鎖模量子點雷射器在集成光路和數據中心中的進一步應用。」
（來源：Light: Science & Applications）
左手哲學、右手科學：用宗教般的虔誠探索世界本源
據了解，董伯彰本碩博分別畢業於華中科技大學、法國巴黎薩克雷大學、以及法國巴黎理工學院。博士期間，他曾在法國巴黎高等電信學校學習量子點雷射器究。讀博期間，他也曾短暫來到中國台灣清華大學訪學，期間從事半導體雷射器的非線性動態研究。
在法國和中國台灣學習的經歷，極大地培養了他的科研素養。作為現代科學的發源地之一，法國具備深厚的科學底蘊。同時，經過拿破崙的教育改革，法國在兩百年前便把工程師教育作為立國之本。
其表示：「我很榮幸能夠同時體驗到法國的科學教育和工程師教育。我曾就讀的巴黎薩克雷大學的前身是老巴黎大學的理學院，其教育理念從巴黎左岸的索邦大學中庭就能可見一斑。」
索邦大學的中庭，背靠巴黎大學老校長紅衣主教阿爾芒-讓·迪·普萊西·德·黎塞留（Armand-Jean du Plessis de Richelieu）所建的禮拜堂，兩邊分別是巴黎大學史上最優秀的教授和學生——路易·巴斯德（Louis Pasteur）和維克多·雨果（Victor Hugo），面前便是始建於 1257 年的老巴黎大學圖書館。
「這不僅是巴黎大學的精神，也在一定程度上是我對自己的期待——左手是科學，右手是哲學，懷揣宗教般的虔誠，依靠人類智慧的結晶，去探索世界的本源。」董伯彰說。
如果說那段法蘭西歲月影響了他的科學觀，那麼在中國台灣的經歷則促使他去思考如何將理論與實踐結合，去研究可以真正推動行業發展的技術。
其表示：「我當時的合作導師是林凡異教授，他是混沌光學雷達的開拓者，早年致力於半導體雷射器的非線性動態研究，近年來著手於技術的轉化。儘管他們目前的工作更偏向於工程應用，但他也會要求自己的學生知其然更知其所以然。」
他繼續說道：「我很有幸能在梅花盛開的季節在台灣清華大學裡工作生活了三個月，並能在梅貽琦校長墓前聽清華學子講他的大師論。清華大學圖書館裡最顯眼的位置擺放的是本校教授的著作，令人嘆為觀止。所謂大學者，有大師之謂也，當如是也。」
憑藉博士期間的成果，董伯彰曾獲得巴黎理工學院 2022 年度最佳博士論文一等獎、2021 年度中國國家留學基金委優秀自費留學生獎學金、以及 2021 年度 IEEE Photonics Technology Letters 最佳論文獎。博士畢業之後，他來到加州大學聖塔芭芭拉分校從事博士後研究。
對於未來的職業發展，其表示目前希望在國外繼續沉澱自己，同時也在積極關注國內的行業發展。如果國內有合適的機會，他也很願意接受新的挑戰。
參考資料：
1.Dong, B., Dumont, M., Terra, O.et al. Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser. Light Sci Appl 12, 182 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01225-z