追光之人胡崛隽：可重构光学超构表面崛起，宽视场超构透镜即将商业化
2024-08-31 14:54:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
胡崛隽教授已被公认为集成光子学和光学材料领域的顶尖专家。他的开创性研究不仅推动了学术前沿的发展，而且对产业应用产生了重大的影响。
胡崛隽（Juejun Hu）教授当年以福建省理科高考状元的成绩被清华大学录取。毕业之后，他前往美国麻省理工学院（MIT）继续深造，并取得了优异的成绩，成为了该校的一名教师。胡崛隽教授的每一步都取得了非凡的成就，树立了难以企及的高标准。如今，胡崛隽教授已被公认为集成光子学和光学材料领域的顶尖专家。他的开创性研究不仅推动了学术前沿的发展，而且对产业应用产生了重大的影响。据麦姆斯咨询报道，近日，Light: Science & Applications期刊特邀胡崛隽教授进行访谈，探索他对技术创新的独特见解，以及他如何利用科学的力量塑造未来。
胡崛隽教授
胡崛隽现任麻省理工学院材料科学与工程系John F. Elliott教授。在加入麻省理工学院之前，他是美国特拉华大学（University of Delaware）的助理教授。他的主要研究方向为集成光学和光子学。胡教授撰写以及与人合作撰写的同行评审期刊论文超过150篇，曾获得SPIE早期职业成就奖、美国陶瓷协会Robert L. Coble奖、国际玻璃协会Vittorio Gottardi奖、美国国家科学基金职业（NSF Career）奖和美国国防高级研究计划局（DARPA）青年教师奖等多项荣誉。他是Optica、SPIE和美国陶瓷协会的会员。
问题1：请胡崛隽教授简单介绍一下您目前的研究重点。
胡崛隽：本课题组的研究主要集中于两个方向：集成光子学和超构表面（Metasurface）光学。在集成光子学方面，我们正在开发新型光子封装和片上光谱传感方法。我们也在研究新的异质集成技术，以便将新材料无缝集成到标准的代工制造工艺流程中，包括非易失性相变材料、磁光/电光晶体、非传统聚合物和半导体材料等。在超构表面光学方面，我们的研究涵盖了其设计理论和算法、纳米制造、以及与其它光电子元件的器件集成和封装，应用领域包括成像、传感、显示、光通信和激光雷达（LiDAR）。
问题2：光子随机存取存储器（P-RAM）是光子计算的重要组件，传统的P-RAM有哪些缺点？您所展示的基于宽带透明相变材料的多态电编程低损耗非易失性光子存储器有哪些优点？这项研究工作解决了哪些技术问题？
胡崛隽：长期以来，非易失性光子存储器一直是片上集成光子学中缺失的环节。具有非晶-晶体转变的硫系相变材料（PCM）已被广泛认为是实现非易失性光学功能的最有前景的途径之一。传统的GeSbTe（GST）基PCM在其晶体相中是简并半导体，会产生很强的自由载流子吸收。这种高效光吸收导致了基于GST的器件出现严重的损耗。早在2017年，我们就首次展示了宽带透明PCM——Ge-Sb-Se-Te（GSST），表明可以同时实现大折射率对比和双态透明。在接下来的几年中，我们展示了一系列基于这些低损耗PCM的可重构集成光子和超构表面器件。最近，我们与美国佛罗里达大学（University of Florida）Volker Sorger教授的研究团队合作开发了光子存储器。我们实现了4位电编程片上光子存储器，其稳定循环次数超过50万次。这标志着我们的片上PCM光学器件在可靠性方面比现有技术有了重大改进。
问题3：您的研究团队利用低损耗光学相变材料开发了一种新型可重构超构表面，为实现各种可重构超构表面器件开辟了新的途径。请您介绍这项研究背后的主要研究灵感和思路。
胡崛隽：与之前基于PCM的可重构超构表面的研究相比，我们研究的主要新颖之处在于首次展示了电开关PCM超构表面。电控可以大大简化这些器件的集成和封装，使其成为功能模块，这对其实际应用至关重要。同时，使用透明PCM还可以使低损耗超构表面以透射模式而非反射模式运行，这一优势在我们最近的工作中得到了验证。
问题4：可重构光学超构表面正迅速崛起，已成为光子学研究、开发和商业化的重要前沿领域。请您介绍可重构超构表面技术和应用的最新进展，以及当前所面临的机遇和挑战。
胡崛隽：原则上，可重构光学超构表面可以带来轻质、快速和高分辨率的空间光调制器和滤波器，这些器件还能在传统技术难以到达的波长（如中波红外或长波红外）下工作。这对成像、模拟光学计算和光束形成/控制等应用具有重要的意义。然而，这些器件的整体性能仍有待进一步提高，才能真正在实际应用中与传统光学技术相媲美。进一步提高这些器件性能、可靠性和一致性，并实现成本效益和可扩展的制造，是使其在工业中广泛应用的必要条件。
问题5：近年来，宽视场（FoV）超构表面光学得到了迅速发展。请您谈谈它的现状、未来趋势以及新兴应用。
胡崛隽：正如我们最近发表的一篇综述中所总结的那样，宽视场超构表面光学在过去几年中取得了重大进展。该领域的几个前沿问题包括：与经典光学元件的集成、扩展光谱带宽、探索更多新功能以及与后端数据处理算法的协同优化。超构表面光学具有独特且经过验证的优势，如大视场、重量轻、尺寸超紧凑以及与晶圆级制造和封装相兼容等，有望对消费电子、汽车传感、机器人和医疗成像等市场产生重大影响。
问题6：宽视场超构透镜（Metalens）走向商业化的关键步骤是什么？
胡崛隽：宽视场超构透镜的商业部署将在未来一两年内实现，甚至可能更早。在2Pi公司，我们通过与一家领先的商业化代工厂合作，在300 mm晶圆平台上展示了超构表面光学器件的制造，并成熟地将其集成到成像和传感模块中。如果大家有应用需要我们的技术帮助，请随时与我们联系。
问题7：集成光路（PIC）在光计算、光传感等各个领域有着广阔的应用前景。PIC封装的技术瓶颈是什么？您提出的用于集成光子封装的双光子光刻技术有哪些创新之处？在实施过程中应注意哪些问题？
胡崛隽：目前，光子封装依赖于专用仪器设备进行光学对准和耦合PIC芯片。与集成电路（IC）芯片相比，PIC的市场规模相对较小，因此光子封装尚未达到降低成本所需的规模经济。此外，以边缘耦合和光栅耦合为例的经典光学耦合技术也存在各自的缺陷。我们的基于自由形态微纳光学反射器的方法结合了两者的优点，特别是边缘耦合的大光谱带宽和低损耗，以及与晶圆级测试和高密度I/O相匹配的表面法向耦合配置，这些都是光栅耦合的特点。我们还提出了一种设计方法，该方法避免了对自由形态结构进行计算密集型的优化，而是利用光学中的费马原理实现了这些耦合器的简单确定性设计。采用这种方法设计的耦合器在1550 nm波长处实现了0.5 dB（SiN波导）/ 0.8 dB（Si波导）的低耦合损耗，1 dB带宽超过300 nm（SiN波导）/ 180 nm（Si波导）。此外，该耦合器与标准代工厂加工的光子波导兼容，无需定制（例如去除顶部波导包层）。这一重要特性有助于耦合器与行业标准PIC无缝集成。
问题8：多年来，您深耕于集成光学和光子学领域，取得了众多杰出的研究成果。请您介绍已经转化为实际应用的研究成果及其前景。
胡崛隽：波导增强拉曼光谱（WERS）就是一个典型案例。这项技术可以产生高灵敏度的芯片级拉曼探针，与传统的探针相比，其成本大幅降低，这是生物过程监测中一次性传感器的重要特征。我们的工作从理论上证明了WERS的优势，并首次通过实验实现了WERS芯片的光纤封装，为该技术的实际应用铺平了道路。我以前的学生Jerome Michon创立了InSpek，这是一家麻省理工学院孵化的初创公司，致力于将WERS技术商业化。在Jerome Michon的领导下，InSpek在过去几年中已使这项技术日臻成熟，并成功地将其应用于工业规模的生物合成过程的实时监控，显著提高了客户的产品产量。
问题9：作为三家新兴光电技术公司的联合创始人，您认为进行研究和创办产业之间的主要区别是什么？
胡崛隽：主要区别在于目标是不同的。衡量研究的标准是智力价值（即概念的新颖性和独创性，以及推动知识发展的潜力）和更广泛的影响（即产生与实际应用相关的成果，造福社会的潜力）。商业化则是以市场和客户为中心，目标是实现创造收入和利润的产品。
问题10：您是如何克服在研究生涯中遇到的挑战？
胡崛隽：这是一个关于毅力的问题，本质是关于动力的问题。我们可以努力实现一些有形的目标（通常是短期的），比如论文发表、获得资助提案、获得奖励或奖学金等。然而，我认为，唯一能够激励一个人克服一切挑战勇往直前的持久目标，必须是他的工作对人类产生长远影响。我们中许多人选择从事研究工作，是因为他儿时的梦想就是成为一名科学家或工程师，从事研究我们可以亲眼见证激动人心的发现，或者发明以前没有人想到的巧妙的工具，让大家的生活变得更好。这些与生俱来的梦想仍然存在于我的心中，并激励着我每天向理想迈进一小步。
问题11：麻省理工学院是世界知名的顶级学府，也是许多年轻学者的梦想之地。请您介绍您选择麻省理工学院的原因，以及在麻省理工学院的研究经历。
胡崛隽：我选择了麻省理工学院？我想我只是非常幸运地被麻省理工学院录取了！能与比我更优秀的博士生和博士后一起工作，我感到兴奋和幸运，没有他们，我将一事无成。从我成为麻省理工学院的助理教授到现在已有将近10年，我有幸与29位非常优秀的博士生和博士后共同工作。他们是真正的英雄，敢于进入其他人（当然包括我自己）从未涉足的领域，拓展了我们的视野，并将创新想法转化为现实（在某些情况下还包括产品）。我们常说，当一个人毕业离开一个研究团队时，他应该比他的导师更加优秀。他们真的做到了。与他们进行的充满智慧的讨论是我在麻省理工学院期间最珍贵的回忆之一。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01583-2
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