图 | 董伯彰（来源：董伯彰）
研究中，他们成功造出一颗可用于光纤通信波段的调频光频梳，让量子点可以作为激光器的增益介质。同时，他们首次系统性地宣布、并谈论了量子点锁模激光器中的调频锁模征象及其产生的机制。
目前，量子点锁模激光器已被成功用于业界。而调频锁模技能有助于进一步提升其运用潜力。调频光频梳的一大上风在于具备超大的光学带宽，如果将其用在光纤通信波段，就可与密集波分复用系统结合以提升光电芯片的数据传输容量。
而利用量子点作为激光器的增益材料，不仅可以实现高效的调频光频梳输出，更能进一步提升片上光源的电光转换效率。
同时，量子点激光器是硅光芯片的空想光源，与硅光结合可以进一步降落芯片的制造本钱。
“在此之前，已经有多个来自欧美的团队宣布称，量子点锁模激光器的传输性能可以达到 10 太比特每秒的量级，而我们要强调的正是调频锁模技能的大带宽所能实现的功能。”董伯彰表示。
（来源：Light: Science & Applications）
打造超大带宽光频梳，以用于高速光子集成电路
如今，当我们谈起锁模激光器或光学频率梳的时候，更多是指其调幅特性，而这与其发展历史密切干系。1960 年，美国科学家西奥多·哈罗德·梅曼（Theodore Harold Ted Maiman）宣布了天下上第一台激光器。在这之后的五年内，人们陆续在气体激光器和半导体激光器内创造锁模征象，深刻影响了激光器的后续发展。
锁模效应，指的是激光器不同谐振模式之间存在固定的相位关系，而且在空想情形下不随韶光变革。一样平常来说，锁模可以通过对腔内光场进行周期性幅度调制实现，这在激光输出上会表示出一系列周期性的光脉冲，也便是调幅光频梳。
由于超快光脉冲在激光加工、探测和遥感等领域具备广泛的运用前景。自 20 世纪 60 年代起，调幅光频梳得到了充分研究和发展。
1964 年，美国斯坦福大学史蒂芬·哈里斯教授（Stephen E. Harris）和罗素·塔格（Russell Targ）教授宣布了氦氖激光器中的调频锁模征象。
比较调幅锁模激光器，调频锁模激光器在时域上呈现出类连续波的输出。由于调频锁模效应无法实现人们所期待的光脉冲输出，故针对它的研究逐渐趋于平淡。
上述现状直到 2012 年才得到改变。当年，瑞士苏黎世联邦理工学院杰罗姆·法斯特（Jérôme Faist）教授和团队，在用于中红外波段的量子级联激光器中创造了自锁模征象。
顾名思义，这种锁模效应只需通过一段增益介质和一个大略的法布里-珀罗腔便能实现，无需借助任何外部幅度调制工具。有趣的是，该激光器无法输出传统意义上的光脉冲。
至此，险些尘封半个世纪之久的调频光频梳重新走入大众视野。随后人们逐步揭开了调频锁模激光器的神秘面纱——超快光学增益介质所带来的极致光学非线性。
由于量子级联结构的存在，载流子可以实现皮秒级别的带内跃迁，从而带来极强的空间烧孔（spatial hole burning）和四波混频（four-wave mixing）效应，进而实现腔内光场的频率调制。这也是传统载流子带间跃迁的量子阱激光器所无法比拟的。
同时，大量研究表明调频光频梳可以带来比传统调幅光频梳更大的光学带宽，这使其拥有广泛的运用前景。
只管调频锁模理论在量子级联激光器中已得到较为充分的研究，但调频光频梳的运用潜力尚待发掘。受限于量子级联激光器的事情波段，目前高性能的调频光频梳紧张用于中红外波段。
然而，在通信技能更为成熟的近红外波段，理论研究和实验研究都证明调频光频梳无法在传统量子阱激光器中高效输出，导致其超大的光学带宽的上风无法被充分发挥。
量子点构造的构想最初由日本东京大学荒川泰彦（Yasuhiko Arakawa）教授于 1982 年提出，他指出在量子阱构造的根本上可以将半导体材料成长为三维 10 纳米旁边的立体构造，从而实现对载流子流动的进一步限定。而该研究的最初目的旨在提高增益介质的电光转换效率。
然而，对载流子施加三维限定也带来了离散的半导体能级构造，这让量子点兼具量子阱与量子级联结构的特性，游走个中的载流子进行缓慢的带间跃迁，也能实现快速的带内跃迁。
早在 2000 年，德国柏林工业大学迪耶·比姆贝格（Didier Bimberg）教授和团队已经宣布过上述征象。但是，在之后的一段韶光内，学界并没有将其与调频光频梳技能建立起联系。
事实上，量子点锁模激光器中的调频效应在一定程度上被调幅效应所粉饰着。由于大部分宣布的量子点锁模激光器，都可以实现范例的调幅光脉冲输出，以是学界普遍认为它仍旧是属于载流子带间跃迁的激光器，也便是说它只不过是量子阱构造的进阶版。
只管如此，依旧有一些课题组比如来自加拿大国家科研中央的一支团队，宣布了量子点激光器中的自锁模征象。直到 2012 年，一个来自欧洲的联合团队宣布了一颗无脉冲输出的量子点自锁模激光器，只是当时他们还没故意识到那是调频锁模效应。
十多年后的本日，量子点激光器中的自锁模效应，正被逐步认为是调频锁模效应，但还有至少三个问题并未得到充分解答。
其一，量子点激光器中的调频锁模和调幅锁模效应究竟通过什么条件触发和关闭的？
其二，一些自锁模量子点激光器中的超快脉冲输出到底该如何阐明？
其三，包含可饱和接管体的被动锁模量子点激光器所输出的究竟是调幅光频梳还是调频光频梳？
如果连激光器的输出性子都无法确定的，后续发展势必会受到影响。因此，董伯彰的研究目的很明确，便是找出该征象背后的缘故原由，并利用调频锁模技能实现超大带宽光频梳，从而用于高速光子集成电路。
（来源：Light: Science & Applications）
从“我没被说服”，到“思想上的变革”
只管本次论文揭橥于董伯彰的博后期间，但是这次课题的确定则能追溯到他在刚读博时的第一个课题。
当时，他的紧张研究方向是量子点被动锁模激光器的非线性动态。其创造，对可饱和接管体施加反向偏压可以提高光谱带宽，并能同时提高激光器的线宽展宽因子。
按照调幅锁模理论，一样平常对前者的阐明是：可饱和接管体上的反向偏压会压缩光学脉冲的脉宽，从而提高光谱带宽。
然而，受限于当时的测试条件，他和同事无法得到更多的数据，只能按照既有理论去理解这一征象。
“至于后者，我们知道激光器的线宽展宽因子会直接影响激光器的性能，例如噪声水平和对外部光学反馈的敏感度。那么，激光器的光谱带宽会不会也在一定程度上受到线宽展宽因子的影响？可能二者之间并无直接关联，但我无法做到忽略它们之间的干系性。”董伯彰说。
但在当时，对付这一问题他暂时没有答案。乃至这个问题在当时根本就不存在，由于据他所知这是第一次有研究结果显示激光器的线宽展宽因子与可饱和接管体上反向偏压具有干系性，以至于现有理论模型并没有把这个效应考虑进去。
“后来由于各类缘故原由，我没能在读博期间办理这个问题，但它却在我心中埋下了一颗种子。”其表示。
等来到加州大学圣塔芭芭拉分校之后，他终于有更多韶光去思考上述问题。就在这时他打仗到了量子级联激光器的锁模理论，并理解了调频锁模效应。
其表示：“在此我须要感谢来自奥地利维也纳理工大学的 Benedikt Schwartz 教授团队，阅读他们的理论论文实在是一种享受。他们指出量子级联激光器中的光学克尔效应受到线宽展宽因子的直接影响，并有助于提高光谱带宽。”
于是接下来问题是：能否利用调频光频梳的理论，去阐明量子点激光器？这两种激光器有没有共同点？
后来董伯彰惊喜地创造，险些所有量子点激光器的理论和实验结果都在指向调频锁模征象。理论根本已经建立，末了一步便是直接丈量出调频光频梳动态。
研究期间，董伯彰导师对他说的最多的一句话便是“我没被说服”，以是他不得不用更多研究结果去说服导师。而如果没有导师的鞭策，他可能也不会去尽力完善这项事情。
直到董伯彰终极引导师证明了调频光频梳征象，后者用“思想上的变革（evolution of thinking）”来评价这项事情。
其余，研究期间董伯彰曾和奥地利维也纳理工大学尼古拉·阿帕克（Nikola Opacak）博士有过互换。后者从一开始不相信量子点激光器也能像量子级联激光器一样高效地输出调频光频梳，到后来动手参与理论培植，末了认可了董伯彰的结论。“而他对付半导体物理的深层次理解，也给工科出身的我供应了很多新思路。”董伯彰说。
日前，干系论文以《宽带量子点调频梳状激光器》（Broadband quantum-dot frequency-modulated comb laser）为题发在 Light: Science & Applications（IF 19.4），董伯彰是第一作者兼共同通讯，加州大学圣塔芭芭拉分校约翰·鲍尔斯（John E. Bowers）教授担当共同通讯 [1]。
图 | 干系论文（来源：Light: Science & Applications）
董伯彰说：“接下来的事情有两个方向：一个是溯源，一个是发展。我希望不仅是我们团队，也能有更多同行参与到这项研究中来。我们希望与更多的理论学家互助，从而将调频锁模理论适配到量子点激光器中。同时，我们也会关注调频锁模量子点激光器在集成光路和数据中央中的进一步运用。”
（来源：Light: Science & Applications）
左手哲学、右手科学：用宗教般的虔诚探索天下本源
据理解，董伯彰本硕博分别毕业于华中科技大学、法国巴黎萨克雷大学、以及法国巴黎理工学院。博士期间，他曾在法国巴黎高档电信学校学习量子点激光器究。读博期间，他也曾短暂来到中国台湾清华大学访学，期间从事半导体激光器的非线性动态研究。
在法国和中国台湾学习的经历，极大地培养了他的科研素养。作为当代科学的发源地之一，法国具备深厚的科学秘闻。同时，经由拿破仑的教诲改革，法国在两百年前便把工程师教诲作为立国之本。
其表示：“我很荣幸能够同时体验到法国的科学教诲和工程师教诲。我曾就读的巴黎萨克雷大学的前身是老巴黎大学的理学院，其教诲理念从巴黎左岸的索邦大学中庭就能可见一斑。”
索邦大学的中庭，背靠巴黎大学老校长红衣主教阿尔芒-让·迪·普莱西·德·黎塞留（Armand-Jean du Plessis de Richelieu）所建的星期堂，两边分别是巴黎大学史上最精良的教授和学生——路易·巴斯德（Louis Pasteur）和维克多·雨果（Victor Hugo），面前便是始建于 1257 年的老巴黎大学图书馆。
“这不仅是巴黎大学的精神，也在一定程度上是我对自己的期待——左手是科学，右手是哲学，怀揣宗教般的虔诚，依赖人类聪慧的结晶，去探索天下的本源。”董伯彰说。
如果说那段法兰西岁月影响了他的科学不雅观，那么在中国台湾的经历则匆匆使他去思考如何将理论与实践结合，去研究可以真正推动行业发展的技能。
其表示：“我当时的互助导师是林凡异教授，他是混沌光学雷达的开拓者，从前致力于半导体激光器的非线性动态研究，近年来动手于技能的转化。只管他们目前的事情更倾向于工程运用，但他也会哀求自己的学生知其然更知其以是然。”
他连续说道：“我很有幸能在梅花盛开的时令在台湾清华大学里事情生活了三个月，并能在梅贻琦校长墓前听清华学子讲他的大师论。清华大学图书馆里最显眼的位置摆放的是本校教授的著作，令人叹为不雅观止。所谓大学者，有大师之谓也，当如是也。”
凭借博士期间的成果，董伯彰曾得到巴黎理工学院 2022 年度最佳博士论文一等奖、2021 年度中国国家留学基金委精良自费留学生奖学金、以及 2021 年度 IEEE Photonics Technology Letters 最佳论文奖。博士毕业之后，他来到加州大学圣塔芭芭拉分校从事博士后研究。
对付未来的职业发展，其表示目前希望在国外连续沉淀自己，同时也在积极关注海内的行业发展。如果海内有得当的机会，他也很乐意接管新的寻衅。
参考资料：
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
