杨兰: 大家好，欢迎收看由Photonics Research 带来的Webinar栏目。Photonics Research 是由中国激光杂志社与Optica Publishing Group（OPG）联合出版的高质量期刊。光学大家系列访谈栏目将与光学和光子学领域取得重要成就并产生深远影响的科学家进行对话。值得特别关注的是，这些影响不仅限于技术应用，还深刻地改变了人们的生活。我们相信，同杰出科学家的对话不仅能够揭示未知领域的奥秘，也是激发灵感的源泉。因此，我们将同步在Photonics Research 上刊登采访文章。
我非常荣幸向大家介绍今天的嘉宾Connie Chang-Hasnain（常瑞华）教授。她是半导体光电领域的知名科学家，她的卓越成就已获得该领域的广泛认可。由于时间有限，我无法一一列举她曾获得的荣誉，但我想在此特别强调她对社会做出的贡献。Chang-Hasnain教授在加州大学伯克利分校执教超过25年，其间她为学生和年轻研究人员提供了无数的指导和建议，并且作为企业家创办了多家公司。由此可见，无论是在学术界还是产业界，她都以实际行动为社会贡献力量，是一位真正的全方位领导者。
除此之外，我还要向大家介绍另一位重要嘉宾——Photonics Research青年编委、清华大学电子工程系副研究员孙皓。孙皓于清华大学取得博士学位，在加州大学伯克利分校留学期间师从Chang-Hasnain教授，专攻硅基III-V半导体纳米激光器的研究。作为光电子学领域一颗冉冉升起的新星，她在与Chang-Hasnain教授共事的过程中，亲眼见证了一位科学家如何高效并行处理多项工作任务。今天，孙皓老师将作为特邀主持人，与Connie Chang-Hasnain教授进行对话，为我们带来这位杰出科学家的生动故事和独特见解。
英文全文已公开发表于Photonics Research 2024年第10期，欢迎阅读：
https://www.researching.cn/articles/OJca7d5b77f1e98669
孙皓: 非常感谢杨兰教授的介绍。Connie，您好。您在纳米光电子学领域取得了卓越的成就，不仅推动了科学知识的发展，也为像我这样有志于科研的青年学者树立了榜样。我坚信，您的经验和见解能够激励更多的人勇敢追求自己的梦想。我非常期待深入了解您在不同时期的经历，以及您如何在每一个角色中都取得成功的奥秘。
您在垂直腔面发射激光器（VCSEL）的物理、设计和应用方面做出了开创性贡献，请问您最开始是如何涉足这一领域的？
常瑞华: 非常感谢你，孙皓。我涉足这一领域可以说是一个巧合。1989年，我曾是贝尔通讯实验室（Bellcore）一名年轻研究人员，正在开展对半导体激光阵列的研究。当时最热门的话题之一就是设计一种能够发射具有明显不同波长的激光阵列，用于波分复用（WDM）传输。这正是我当时研究的一个课题。
Connie Chang-Hasnain在Bellcore时作为年轻研究人员参加CLEO（1988）
那时，日本东京工业大学Kenichi Iga教授刚刚在1988年演示了第一个室温VCSEL，而贝尔实验室的Jack Jewell和Jim Harbison在1989年报道了他们早期关于生长型分布式布拉格反射镜（DBR）VCSELs的工作。我仔细研究了VCSEL的拓扑结构，认为它非常适用于WDM阵列。因此，我抓住了这个机会，构造了第一个二维VCSEL阵列，它能够发射140种不同的波长。随后，我进一步展示了首个用于多模光纤传输的平面VCSEL阵列，其调制速率为千兆比特每秒（Gbps）。就是这样，我进入了这个领域。
Connie Chang-Hasnain与Kenichi Iga在伯克利（2005）
孙皓: 您能详细阐述一下您的工作对VCSEL发展的意义吗？它们如何重塑了微纳光电子学的发展格局，以及VCSEL对我们日常生活最重要的影响是什么？
常瑞华: 首先我要说明的是，今天我要讨论的大部分研究工作是与Bellcore、斯坦福和伯克利的同事及学生们合作完成的。此外，我还与许多其他高校的研究人员合作，包括南加州大学、利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、清华大学和东京工业大学等。由于时间有限，我无法逐一列出所有合作者的名字，对此我深表歉意，但我要向他们对这项工作做出的贡献表示衷心的感谢。
Connie Chang-Hasnain，摄于加州大学伯克利分校的实验室
正如我之前提到的，我一直在寻求用于光通信的WDM源。早在1990年，我们就报道了通过多模光纤阵列传输的第一个千兆比特调制VCSEL阵列。我们对VCSEL的特性进行了详细的模式分析和理论研究，制作了包括单独阵列和矩阵寻址阵列在内的二维阵列。我认为，这些工作为今天的多模光纤收发器奠定了坚实的基础。从最初的1 Gbps发展到如今的每通道50 Gbps和100 Gbps，多模VCSEL已经广泛应用于数据中心的多模光纤收发器。过去的二十年里，VCSEL一直是数据中心通信的核心技术，并将在未来相当长的一段时间内继续发挥重要作用。
1998年，我们研发出第一个大型激光阵列，包括1000个VCSEL发射器的激光阵列，工作波长在940 nm，应用于三维距离测量和激光雷达技术。我们选择940 nm波长是因为它在空气中具有较强的光吸收能力，可以有效避免杂散光的干扰。据我们所知，这是首个应用于三维传感的940 nm VCSEL阵列。如今，智能手机中使用的所有三维传感器几乎都基于940 nm波长的VCSEL阵列。
孙皓: 是的，基于VCSEL阵列的激光雷达和面部识别技术逐渐改变了我们的生活。我知道您还发明了可调谐VCSELs，这种技术允许对波长进行选择，极大地促进了光通信和光谱分析的发展。那么，您能详细阐述一下这些进步是如何影响光电子领域的市场应用和行业创新的吗？
常瑞华: 波长可调谐激光器在各类系统应用中一直备受瞩目。设计一种振荡频率可调的电子谐振器已经相当普遍，这种可调谐谐振器已成为电子电路的基本构件。然而，对于同样作为谐振器的激光器而言，实现连续扫频或调谐其振荡频率（即波长）仍然极具挑战。我们注意到了这一问题，并致力于寻找解决方案。非常幸运的是，在我隔壁办公室一位研究微机电系统（MEMS）的同事给了我们启发和新思路。我们决定研发一种垂直VCSEL，并将其顶部的DBR安装在MEMS结构上。通过移动DBR-MEMS，我们能够改变激光器的腔长，从而调谐其波长。事实证明，由于VCSEL具有超短的腔结构，只能发射单一纵向模式，通过移动MEMS镜即可在很大范围内连续调谐VCSEL的波长。此外，MEMS镜尺寸极小，且移动速度极快，可达到100千赫，甚至数兆赫。最终，我们成功研制了一种波长可连续调节的激光器，这种独特功能是其他任何激光结构无法实现的。
目前，MEMS-VCSEL已经广泛应用于眼科、心脏科和消化科等领域的光学相干断层扫描（OCT）设备。由于其扫描速度极快，研究人员能够在更广阔的视野中观察到微米级深度的细节和此前难以观察到的特征。
孙皓: 刚才您提到了DBR，我记得在伯克利访学时，您在高对比度光栅方面HCG的研究取得了显著进展，用其取代了厚重的DBR，并应用于VCSEL。是什么促使您进行这项研究？能否分享一下这项工作背后的故事？
常瑞华: VCSEL有一个垂直腔，其增益长度仅相当于量子阱的厚度。与普通边发射激光器相比，VCSEL的增益长度短了大约一万倍。因此，VCSEL需要两个反射率极高的反射镜。标准的反射镜结构是由多对λ/4厚度的交替折射率层组成的半导体DBR。每个界面的反射通过相干相加，形成高反射率的镜面。然而，由于材料选择的限制，折射率差（delta-n）非常小，因此我们需要使用几十对DBR，这导致VCSEL的外延厚度可能超过10 μm，材料生长时间大约为10小时，从而给保持生长精度和准确性带来了巨大挑战。因此，实现高反射率DBR是制作VCSEL外延生长过程中最困难的部分之一。
为了解决这一问题，我们开始思考：高反射率源自周期性结构，而周期性结构是在光束传播的方向上，因此高反射率DBR非常厚。如果我们将周期性结构与光束传播方向垂直放置，是否也能获得高反射率的反射镜？我们开始了相关研究，发现这确实是可以做到的！这让我们联想到法拉第笼，它在微波和电磁波领域已有应用。法拉第笼仅是薄薄的一层周期性金属网，却能够完全反射微波，这给了我们极大的启发。
然而，金属在光学波段的损耗较大，并不适合作为VCSEL的镜面材料。因此，我们考虑使用电介质或半导体网格来模拟金属网的效果，这引导我们采用高折射率对比度网格来模仿法拉第笼的原理。事实证明，我们可以通过一维或二维高折射率对比度结构来制作反射镜。我们在2004年通过理论模拟证明了这一点，随后通过理论分析和实验证实了这一结论。实际上，我们后来发现高对比度光栅（HCG）或二维超结构（HCM）相比法拉第笼具有更广泛的功能。高对比度光栅或超结构不仅可以提供高反射率，还可以通过改变厚度获得抗反射涂层或品质因数超过100万的谐振器。更有趣的是，在二维结构中，通过调整尺寸，我们可以设计出许多不同的透镜或光束整形和相位调制方法。我们已经报告了一种高数值孔径透镜、光束弯曲器、表面法向调制器、生物传感器以及一种非线性光学四波混频器。值得一提的是，我们从电介质波导的解析解入手，为自上而下的设计提供了重要的物理见解，这些见解可以用来补充最新的逆向设计方法。
当然，我们制作HCG是为了取代VCSEL上的DBR。除了具有超薄的特点，HCG还能够控制VCSEL的横向模式，并实现固定的偏振。基于这一特性，我在四年前创立的Berxel Photonics公司推出了HCG-VCSEL产品，专门用于3D传感领域。在3D传感中，最大的挑战是避免多径反射及镜面反射，尤其是来自玻璃门、玻璃镜、金属墙或水面等的反射。具有固定偏振的HCG-VCSEL阵列与接收器上的HCG偏振器相结合，形成了一种消除多径干扰的最佳解决方案。（注：Berxel Photonics公司推出的iHawk P100系列偏振结构光3D相机曾获2024年R&D100奖. https://www.rdworldonline.com/rd-100-winners-for-2024-are-announced/）
Connie Chang-Hasnain，摄于Berxel Photonics
孙皓: 这真是令人惊叹，这种高对比度光栅可以替代这么多对DBR。实际上，HCG可以应用于许多光电子器件结构，并在其中起到重要作用。此外，听众们对VCSEL也非常感兴趣。他们提出了两个关于VCSEL的问题。第一个问题来自苏州大学的一名学生，他想知道最近在VCSEL激光器方面有哪些技术突破？另一个问题来自Lumentum Operations公司，他的问题是在动态电路网络（DCN）中部署更高速的模块时，VCSEL的带宽上限是多少？
常瑞华: 我认为最近几年中最令人兴奋的工作之一是我们与加州大学圣巴巴拉分校的Larry Coldren教授合作发表的一篇论文，该论文探讨了采用反谐振耦合腔设计的垂直VCSEL在最宽调谐范围内的表现。这是一种非常反直觉的设计，使我们在1050 nm波长下实现了约80 nm的宽调谐范围，相当于波长的8%~10%。另一项是Fumio Koyama教授近期开展的研究，他利用横向耦合腔和金属孔径耦合腔来增强激光器的带宽。在这两种设计中，Koyama教授都实现了100 Gbps的调制速度。此外，Dieter Bimberg教授通过使用多个小型氧化物孔径VCSEL，使其能够耦合并获得极高的运行速度。总体来看，无论是横向还是纵向，VCSEL中空腔耦合的研究都是一个非常丰富且充满前景的领域。
关于第二个问题，边发射激光器已经可以实现200 Gbps的调制速度，我对VCSEL是否能够达到这一速度也持乐观态度。目前，Berxel Photonics公司拥有每通道100 Gbps的VCSEL，是首批在850 nm波长范围内提供这种调制速度产品的公司之一。我认为，整个行业对于VCSEL在数据通信应用中的高速调制前景都充满了期待。（注：一篇关于200 Gbps VCSEL的文章近期发表于Optical Fiber Communication Conference：M.V. Ramana Murty, et. Al., “Toward 200G per Lane VCSEL-based Multimode Links”, Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2024, paper M2D.3, https://doi.org/10.1364/OFC.2024.M2D.3）
从左至右：Yasuhiko Arakawa，Dieter Bimberg，Fumio Koyama，Abderrahim Ramdane，Connie Chang-Hasnain和Eli Yablonovitch，2018年伯克利国际纳米光电子研讨会（iNOW）联合主席合影
下期预告在明天（11月5日）的专访下集中，Connie Chang-Hasnain（常瑞华）教授将与大家分享产品开发过程中遇到的障碍以及促进团队创新和成功的策略，并提出了“相信”和“分享”这两个关键词，向年轻科学家们给出了真诚且有效的建议，欢迎大家继续关注！
嘉宾简介
Connie Chang-Hasnain，常瑞华
香港中文大学（深圳）
Connie Chang-Hasnain，博升光电科技有限公司（Berxel Photonics Co. Ltd.）创始人兼董事长、香港中文大学（深圳）校长学勤讲座教授、加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学Whinnery荣休讲座教授。她是美国国家工程院院士、美国发明家学会会士，以及IEEE、IEE和Optica Fellow。曾担任Journal of Lightwave Technology主编（2007-2012年）和OPG（前身为OSA）主席（2021年）。Chang-Hasnain教授的研究领域包括半导体光电器件、材料和物理，目前的研究着眼于纳米光子材料、垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其应用。Chang-Hasnain教授曾获多个奖项，包括IEEE Nick Holonyak Jr. 勋章，表彰她“对垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和用于光通信和传感的基于VCSEL的光子学的开创性贡献”（2024年）；国际化合物半导体会Welker奖（2022年），表彰她“对用于光通信和光传感的VCSEL光子学、纳米光子学和高对比度超结构的开创性贡献”；日本大川情报通信基金大川赏（2018年），表彰她“对VCSEL光子学新功能的研究及开拓光学通信和光学传感应用做出的卓越贡献”；联合国教科文组织纳米科学和纳米技术发展勋章（2015年）；IEEE David Sarnoff奖（2011年），表彰她“对VCSEL阵列和可调谐VCSEL的开创性贡献”和美国光学学会Holonyak奖（2007年），表彰她“对VCSEL阵列、注入锁定和慢光做出了重大贡献”。
杨兰
美国圣路易斯华盛顿大学
杨兰，圣路易斯华盛顿大学电子与系统工程系Edwin H. and Florence G. Skinner教授，Photonics Research 主编，美国光学学会（Optica）、美国电气电子工程师学会（IEEE）、美国科学促进会（AAAS）、美国物理学会（APS）、美国医学与生物工程院（AIMBE）会士。博士毕业于加州理工学院，曾获美国自然科学基金会CAREER奖、美国青年科学家与工程师总统奖等。主要研究领域为先进纳米/微米光子器件的制备、表征以及基础研究，包括超高品质的硅基微谐振器以及其在传感、激光、非线性光学、环境监测、生物医学研究和通信方向的应用。曾在Science、Nature、Nature Photonics、Nature Physics、Photonics Research等期刊发表论文一百余篇。
孙皓
清华大学
孙皓，清华大学电子工程系副研究员、Photonics Research青年编委。她于2015年获得清华大学博士学位；2011年至2014年，作为交换生在加州大学伯克利分校电子工程系学习，师从Connie Chang-Hasnain教授。致力于开发基于低维半导体的硅基片上有源器件，并探索新型纳米光电子材料的增益机制和功能器件。在硅基纳米激光器、低阈值光学增益机制和高增益片上光放大方面取得了重要进展。相关研究成果发表于Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Light: Science & Applications 等国内外重要期刊。
