“魔法”照进现实！这枚光电芯片，背后是他们近二十年的辛勤付出

2024-06-18 03:30 点击：来源：迪趣网

摘要：“魔法”照进现实！这枚光电芯片，背后是他们近二十年的辛勤付出黄翊东咔嚓，给果盘拍一张照片，苹果从哪儿咬下去最甜，哪颗葡萄水分最足，一看便知。咔嚓，站在20米开外，

“魔法”照进现实！这枚光电芯片，背后是他们近二十年的辛勤付出

黄翊东

咔嚓，给果盘拍一张照片，苹果从哪儿咬下去最甜，哪颗葡萄水分最足，一看便知。

咔嚓，站在20米开外，对着火花四溅的炼钢炉照一下，炉内温度一目了然——一千多摄氏度，误差仅有正负10摄氏度。

未来，更多的“咔嚓”声会在我们身边响起——糖尿病患者不采指血就能测血糖，外科大夫在手术中可精准定位癌细胞边缘，环保工作人员通过拍照看透水质污染情况，无人驾驶、AR（增强现实）和VR（虚拟现实）穿戴设备等领域都将上演类似火眼金睛的“魔法”。

成就这一“魔法”的是一枚小小的光电芯片，其背后是清华大学电子工程系教授黄翊东团队近二十年的辛勤付出。他们的成果在外行看来大多深奥难懂，比如“光子晶体超光谱成像芯片”“自由电子辐射芯片”“轨道角动量辐射芯片”“量子态产生及操控芯片”等，但是每一项都顶着“国际首款”“世界纪录”“全球首创”的光环。

以“芯”为眼奇光析彩

“学生说，我是个‘矫情’的老师。”采访时，黄翊东手边摆着一本即将出版的固体物理教材，她坦率地笑称：“确实‘矫情’，一本十几万字的教材，每一页、每一行我都看得仔细，不允许有一点瑕疵。”

一丝不苟、追求极致的劲头，有自身性格的原因，恐怕也和她的科研领域有关——团队致力于微纳光电子领域的研究，近乎原子量级的尺度，芯片结构即使差若万分之一毫厘，特性都将谬以千里。

这支创“芯”团队成绩斐然，其中，最令黄翊东得意的，当属国际首款实时超光谱成像芯片。

“它的独到之处是能看透万物。”黄翊东耐心地从头讲起：光是一种电磁辐射，根据频率不同，分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等。不同物质对不同频率的光吸收不同，反映出不同的光谱。光谱就像是物质的指纹，记录信息详尽且独一无二。人类的眼睛虽看得到颜色，却分辨不出光场的频率。“比如，蓝光与黄光的混合会让我们感觉看到了绿光，但实际上并没有绿光这种频率。”她补充，而借助实时超光谱成像芯片，大到湖泊山川，小到一粒细胞，只要能被镜头照到，都可以被看透。

“我们的独创性在于，在芯片上实现了可以看穿一切的光谱分析技术。”黄翊东小心地用镊子挑起这款芯片，普通纸张薄厚，表面积不足成年人一个食指的指肚，“此前，如果想精准读取物质光谱，需要大型光谱仪。个头儿和家用微波炉类似，价格以几十万元起步。不仅个大价贵，它还只能获取单点的光谱，光谱成像需要通过逐点扫描，无法获取同一时刻不同空间点的光谱信息，更谈不上跟踪移动物体。”

现有技术的瓶颈，正是黄翊东团队努力攻克的方向。“光谱成像芯片在物理效应、制备工艺、算法配合上都需要创新突破，技术壁垒非常高。”

迎着光细看，这款芯片闪耀着类似蝴蝶翅膀般绚丽的色彩，这实际上是很多亚微米尺度周期微孔形成的效果，学名为“光子晶体”结构。如果放大1000倍，微孔的直径也不到一毫米，光谱成像芯片就是在芝麻粒大的面积上刻制出上千个这样周期排列的微孔，而且微孔的形状很丰富，有圆形、方形、菱形、十字和斜十字等。黄翊东自豪地说：“截至目前，我们已经可以精准刻制400多种形状的周期排列微孔了。”

在坚硬的半导体材料上按需刻制这些微孔，必须采用干法刻蚀技术。工作原理是通过弱电离的工作气体在需要形成微孔的位置与半导体材料发生物理、化学作用，生成气态反应物，再用真空系统将气态反应物抽走，从而刻蚀形成微孔。各种专业词汇，外行很难理解，黄翊东将原理掰开揉碎，向记者耐心翻译：微孔是用“气铲”加化学腐蚀配合刻出来的。侧壁各点横向刻蚀的速度要一致，才能保证孔壁垂直。一旦速度有快有慢，微孔内壁就会变形。微孔直径越小深度越大，刻制的难度越大。

自打2005年师从黄翊东攻读博士起，现任清华大学电子工程系副教授的崔开宇就参与到了光子晶体研究中，如今已成为团队的主力。她带领学生深耕刻“孔”工艺，提出侧壁钝化侧蚀动态平衡的干法刻蚀技术，通过控制不同深度反应物的析出沉积比，获得了垂直刻蚀侧壁形貌，为微型光谱仪的实现打下了坚实的工艺基础。

执着的追光人，必将迎来光环加冕。

经过十余年的努力，团队基于光子晶体结构，在百微米的芯片上创造了可实现超高频谱分辨率的单点光谱仪，即便众多这样的光谱仪集成在一起，也不过占据方寸之地。黄翊东给出一组数据：“我们在0.5平方厘米的芯片上集成了15万个微型光谱仪，也就是空间分辨率超过了15万光谱像素。”

这款芯片带来了实时“所见即所知”的可能。经实验对比证明，与大型光谱测量设备相比，微型光谱仪的识别率毫不逊色，光谱分辨率达到了0.8纳米。为了让记者对“纳米”这一微观单位有实感，黄翊东形象地比喻：“如果把我们所在的十一层楼高的清华大学罗姆楼当成一米单位，那么一纳米就相当于我们头发丝的截面大小。”

实时光谱成像芯片为智能感知技术开拓出了一个新的信息维度，一系列的“不可能”正在或即将成为现实：

团队与清华大学生物医学工程系教授洪波团队合作，首次观测到了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物特征光谱的动态变化，获取了大鼠脑部不同位置的动态光谱变化情况。“结合专业领域知识，可以读懂大鼠脑部神经元的活跃状态”；在筷子上加载芯片，各种调味添加剂都将无处遁形；用手机摄像头来张自拍，就能实时解读皮肤状态，分辨化妆品的匹配度；还有精准农业、物品分拣、遥感测绘、物质鉴别……一枚芯片，大有可为。

国际权威学术期刊《科学》发表论文《光谱仪的小型化》，将黄翊东团队的超光谱成像芯片技术列为该领域最新的研究成果。目前团队成立的成果转化初创企业“北京与光科技有限公司”已发布数款产品原型，光谱成像芯片走入实际应用指日可待。

用“芯”铺路逆光跋涉

外行人眼中的追光而行，其实有一个“逆光”的由头——

上世纪九十年代初，黄翊东作为清华大学和日本东京工业大学联合培养的博士生，赴东京工业大学荒井研究室学习。“当时面临着双重考验：一方面语言不通，环境陌生；另一方面是专业不衔接，我在清华的研究生专业方向是光纤器件，转到光电子芯片领域，听上去都与光相关，但实际上差别很大。”在很多场合，黄翊东都会回忆起那段日子，“当时清华大学只有两个名额，所以我特别珍惜这次被选派留学的机会，为了能在短时间内追赶上有专业背景的同学，我每天都要学习、工作十五六个小时。”她只用了两年时间就完成了博士论文，而毕业后在国外芯片产业界近十年的打拼经历，也让她深切感受到中国芯片落后于人、受制于人的窘境。

2003年，黄翊东抱着发展我国光电子芯片的念头，从日本重返清华。“就像下棋一样，追着国外已有的科学技术跑，只能算后手。我们应该冲到学科前沿，努力实现超越，在全球范围内创造不会被‘卡脖子’的引领技术。”

怀着这样一种“逆向思维”，黄翊东选择了一条新赛道——微纳结构光电子芯片。当下，微纳光电子已成为发展迅速、研究活跃的前沿热点领域，是新型光电子产业的重要发展方向。而在当时，这个领域只能算晨光熹微。

纵观全球，无论是已有的传统光电子芯片工艺平台，还是新兴的硅光平台，都无法满足微纳结构光电子芯片制备材料多样、工艺复杂的需求。黄翊东意识到，在微纳光电子芯片这个新赛道上，无论是前沿的创新研究，还是成果的产业落地，都亟需解决所面临制备工艺短板。

“逆光跋涉，先从铺路开始吧。”

2004年起，黄翊东团队一步一个脚印，从研发基本结构的制备工艺、到搭建微纳结构工艺平台，在微纳结构制备工艺的核心技术和量产推广的工程难点上取得突破。逆光跋涉，个中艰辛一言难尽。黄翊东笑着说，最初搭建超净实验室的过程中，她如同水工电工，什么活儿都干过。

18年的坚持和积累，黄翊东团队在微纳光电子芯片的赛道上取得了制备工艺的先发优势：搭建起国际上首个跨材料体系的微纳光电子芯片代工平台，同时成立了专注芯片工艺的初创企业“天津华慧芯科技集团有限公司”，已经为500余个科研团队的前沿研究和企业的新产品研发提供定制的微纳结构芯片加工和工艺开发。其中包括北京大学、中国科学院、浙江大学等80余所研究机构及大学的科研团队。

当年还有个小段子。黄翊东回国后，在清华指导的第一位博士生跑来问：“老师，我坐哪儿？”他没注意到的是，黄翊东自己也正坐在一张临时办公桌前。黄翊东诙谐地安慰学生：“会有的，工位会有的，实验室也会有的。”从筹款盖楼到购置设备搭建平台，如今黄翊东团队把这句看似玩笑的话变成了现实。

这位博士生刘仿，如今已经是清华电子系教授，也是研究团队的主力。他带领学生研制出世界首款自由电子辐射芯片的过程，也有一段“逆光”解题经历——

通俗地说，这是一道关于搭车的应用题：如果将材料中传播的光子比作一列有无数节车厢的列车，由车头在最后方推着火车匀速前进。顺着车前进的方向，高能带电粒子想搭车，就得赶紧跑，跑的速度必须要超过车头的速度（材料中光的相对速度）才能上车，此时带电粒子会发出一种称为“切伦科夫辐射”的电磁场。刘仿说，产生光波段切伦科夫辐射的最小电子能量最少需2万电子伏特，这样高速飞行的电子只有大型电子加速装置才能做到。

“如果换成由车头在最前边牵引这列无限长的列车，高能带电粒子再想搭车，它的速度就不能超过车头的速度，因为这时车头前方没有车厢。”黄翊东以手当车，比划着讲解，“从求快到求慢，这个现象只会出现在双曲超材料中。这一发现颠覆了传统自由电子光源需要大型电子加速器的固有范式。”

刘仿从攻读博士时就开始研究纳米尺度金属薄膜的制备工艺及其表面等离子效应，最终成功制备出了双曲超材料，并研制出世界首款自由电子辐射芯片。在不到一毫米的芯片上，实现了大型自由电子加速器中才能看到的自由电子辐射现象。相关研究论文在国际权威期刊《自然·光子》上发布，成果入选了“2017年中国光学十大进展”。

“我们要勇于创新，还要锲而不舍，因为任何创新性的研究都是很不容易的。”黄翊东直言，“容易的别人都已经做了，只有坚持，才有可能走到最后，才能够取得最终的成功。”

“芯”火相传烛光清韵

最近，黄翊东在准备技术发明奖的申报材料。在“成果社会效益”部分，“推动我国光电子芯片领域的人才培养”是压轴内容：“结合光电子芯片工艺研发、器件创新，让学生了解芯片领域的国际竞争，意识到自己担负着发展国产芯片，走出‘无芯之痛’的责任。”这也是黄翊东经常对学生念叨的一段话。

“我的本职是一名老师，人才培养是老师的根本任务。”为了培养知识、能力、素质全面发展的拔尖创新型人才，黄翊东在清华电子系任职的13年里，在电子信息大类课程体系的重建中投入了大量的精力。重建后的课程体系打通了“信息”和“电子”两个专业，使芯片领域的人才培养综合了两个学科领域的知识背景。她还为全系本科生亲授芯片领域重要的基础课程“固体物理”，并编写出版了教材。

黄翊东留过学，有近10年在产业界的工作经历。她说，“我们希望让成果变成真正能用得上的产品。但是从科学研究、技术研发、工程化研究到产业化落地应用，这个漫长过程，只有经历过才能懂，这些很难从书本上学会。”为此，电子系设立了电子信息创新创业专业硕士学位项目，学生第一年在校学习，第二年之后深入社会企业，既培养扎实的理论基础，又培养实践能力，以更好地满足国家对创新创业型人才的需求。

在清华大学罗姆楼一层，建有400多平方米微纳光电子的超净实验室，里面装配着各种先进的仪器设备，这里不仅是黄翊东团队科研的平台，也是培养人才的摇篮。

实验室的墙壁上，团队师生的照片和名字被放在了醒目位置。“18年来，我们累计培养了100余名毕业生。”黄翊东如数家珍地介绍，有些毕业生成了一流高校教授，活跃在创新研究的第一线，也有不少投身芯片产业发展，创立了华慧芯、与光、光鉴、一径、海尔欣等光电芯片企业，目前总估值逾50亿，已成为推动我国光电芯片创新研究及产业发展的重要力量。

“在一些研发成绩单上，我已经是第三发明人了，我的学生、学生的学生是第一和第二发明人。”黄翊东欣慰地说，在微纳光电子芯片这个赛道上，团队不仅有着制备工艺上的先发优势，更是逐步形成了薪火相传的人才梯队。

照片墙对面，是实验台。上面摆着显微镜和成捆的白色光纤，还有各种叫不出名字的光电子配件。

一台设备正在运转的实验台上，团队老师张巍的量子态产生及操控芯片正在工作。“最近四五年，这项研发聚焦在硅光量子芯片上，它能够实现大用户规模的量子密钥分发网络。”黄翊东指着一张错综复杂的网络图说，以前的量子密钥分发实验，多是点对点的。现在使用量子芯片，可以实现很多个用户中任意两个之间的量子密钥分发。一块手机SIM卡大小的硅光量子光源的芯片，已经可以实现40个用户的全连接量子密钥分发网络，单一量子光源支持的量子密钥分发线路达到780个，创造了国际最好水平。“我们正打算在现实的光纤通信系统中进行场地实验。”

往前走几步，不远处的实验台上，摆着轨道角动量辐射芯片。“这是团队老师冯雪的成果。”黄翊东指着显微镜下的芯片说，它有一个听上去挺拗口的名字，冯雪赋予了这个芯片一个很形象的比喻——“在极其微小的分子级世界，利用轨道角动量构成一把光的‘镊子’或者‘扳手’，去搬动分子。”

黄翊东顿了顿，摊着手补了一句：“不过，这把‘镊子’还没找到合适的应用场景，从研发到实际应用，还要走很远的路。”

有多远？面对追问，黄翊东回答，“真正的创新不是去迎合某种需求，而是创造需求。我们会不断提升芯片的潜力，创造真正有意义的需求。”