拥抱“光时代”的“造梦者”——记国家“青年

最近，一篇发表在《自然-通讯》杂志 (Nature Communications 6, 7027 (2015). DOI: 10.1038/ ncomms8027)上的论文引发了全世界硅基光电子研究领域的关注，也得到了南京大学校内通讯的重点推介。从通讯中难以抑制的喜悦氛围中我们得知，这是一项由该校现代工学院教授江伟作为通讯作者的波导超晶格研究，其半波长间距波导超晶格开辟了高密度光子集成的新思路。为全面了解这一国际前沿科研成果，介绍研究过程中所遇到问题和解决思路，通过主要研究人员的科研经历来揭示科研成果背后的不平凡的付出，本刊对这位拥抱“光时代”的“造梦者”——江伟教授进行了特别专访。 信息时代，电子设备的应用已经进入了爆发式增长时期。但是通讯信息流犹如拥堵的高速公路，曾经先进的技术已经进入瓶颈期，基于铜互连的超大规模集成电路和芯片处理器日趋临近极限。“光”的时代已经来临，硅基光子学的地位日趋凸显。该学科研究成果的突破，将会给光互联、光通讯、光信号处理、光计算、光传感与生物医学成像等应用带来巨大的契机。 可以说，硅集成电路已经改变了我们的生活，硅光子芯片有望为通讯和数据处理提供新的手段，开启信息技术新的篇章。不知不觉中，“光时代”已经走进了我们生活的各个领域。而这一切的背后，是许许多多像江伟教授一样的科学家付出的数十年的努力。 六年磨一剑，不服输的劲头是关键 江伟教授指导学生做实验 “提高集成密度已经被证实是在摩尔定律指引下硅集成电路取得成功的一个关键，同样在硅光子芯片的未来发展中也极其重要。遗憾的是，作为硅光子芯片中最常用的组件——硅波导，由于相邻波导靠近时强烈耦合产生的信号串扰，因此不能进行亚微米或亚波长间距的高密度集成。这是光子集成领域的一个经典问题。”江伟教授开门见山地为我们介绍了科研背景及重要难题。 今年5月，江伟教授作为通讯作者的这篇论文提出了一个“波导超晶格”的方案，终于解决了这个困扰学界已久的问题。该方案将包含若干不同宽度波导的“超元胞”在空间中周期性重复形成波导超晶格，通过控制超元胞中各个波导的宽度来抑制波导之间的相互耦合。 令学界振奋的研究成果背后，是科研过程那难以想象的艰辛和孤独。江伟介绍，这项研究早在2009年就开始了，由美国罗德格斯大学、布鲁克海文国家实验室、斯坦福大学、中佛罗里达大学光学中心和我国南京大学合作完成。 研究不是一帆风顺的，六年磨一剑所经历的孤独令江伟感受深刻。在此过程中，他们遇到了理论、模拟、加工和表征上的诸多挑战。理论和模拟上，广泛采用的FDTD法无法高效而精确地计算一个大的波导超晶格中的相对微弱耦合及侧壁粗糙度的散射效应；在加工过程中，一个微小的颗粒或缺陷就可以让两个波导（“光学导线”）“短路”，进而破坏整个结构的耦合抑制特性；在测试中，一个结构中往往有超过100个串扰通道需要去测定。有时候，顺序测完90多个理想的通道才发现一个由于缺陷造成的强串扰通道，几个星期的努力就都白费了。 “最终得到的这个串扰低于-20dB的半波长间距的波导超晶格，是我们整个团队通过不断发展新理论与模拟工具、提高加工工艺、完善测试技巧，反复实验、长期努力才做到了。”说着江伟笑了，笑得“云淡风轻”。那是一种努力终有所得后的轻松和释然。 如果说，提高集成密度，是在摩尔定律指引下硅集成电路取得成功的关键；那么，不服输的劲头，则是六年磨一剑最终取得胜利的关键。 寻梦者，更是造梦者 这些年，江伟觉得自己很幸运，一直从事着自己所爱的行业，一直努力践行着自己的目标，并实现了小时候成为科学家的梦。 从1992年走进南京大学求学的那一刻，江伟就在内心深深地埋下了一颗科研种子。喜欢听科学家故事的他，自己开始走上了一条科学家“养成”之路。1996年获得南京大学强化部（现在的匡亚明学院）物理专业学士学位后，江伟以优异的成绩保送本校物理系读研，在导师的影响下选择了无序光子晶体基础理论研究。当时光子晶体的研究正在兴起，有趣的研究课题很多。“从基础研究的角度看这些研究很有趣，但随着研究的深入，我意识到基础研究不但要扩展人类知识，还要使知识转化为应用才有价值。”怀着这样的想法，江伟开始了广泛涉猎。 从1998年到2014年，通过赴美深造、工作的16年的探索和追寻，江伟明晰了自己的科研之路。16年足以让一个婴儿长成一个少年，而江伟从未改变的科研方向和研究领域也日渐宽广清晰，汇聚成一个自己的体系。这期间，他拿到了美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理硕士学位，拿到该校电子和计算机工程博士学位，并获得了以工程学院院长命名的面向电子、光子材料与器件相关领域理工研究生的Ben Streetman奖。在科研方面，他作为美国联邦小企业创新项目（STTR）的负责人，2007年带领团队做出了世界首个硅基光子晶体高速电光调制器，并对硅基电光器件机理和功耗做了开拓性的研究，为当时正在形成中的新领域--硅基光子学做出了重要贡献。此外，他还完善了几个具有重要应用价值的物理理论，包括多维光子晶体表面问题的一般解，超棱镜效应敏感度的解析理论和光子晶体波导慢光损耗的解析理论，并通过实验得到了光子晶体慢光波导中高纯度的奇对称模式，并发展了奇偶模式转换器件。 16年间，江伟教授目前已在学术期刊和国际会议上发表论文70余篇，并获2项美国专利，2013年他获得美国罗得格斯(新泽西州立)大学电子和计算机工程系终身教职。在罗得格斯大学任教期间，他在科研、教学方面皆有建树，获2012年美国国防先进研究计划局青年教授奖（DARPA Young Faculty Award）、2013年电气与电子工程师协会一区（IEEE Region 1）杰出教学奖等荣誉。特别是得到美国国防先进研究计划局(DARPA)这个培育了互联网与GPS的顶尖科技机构的认可尤其可贵。2014年，并不满足于个人成就的江伟回到母校南京大学，在国家“青年千人计划”及江苏省“特聘教授”计划的支持下开始建立自己的课题组，为祖国的科技事业发展贡献力量。 这个寻梦的过程虽然艰辛，但是得到了师长和学校的帮助。就拿前文提到的项目来说，其研究就得到了国家青年千人计划、江苏特聘教授、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省优势学科建设工程等在内的一系列资助。 其实，江伟寻梦的过程何尝不是一个造梦的过程呢？他完成的高密度波导集成研究成果具有十分广泛的应用前景。不仅可以应用于实现超高密度的空分复用，部分替代对温度敏感的波分复用技术；还可以应用于提高重要集成光器件，如波分复用器件、集成光谱仪、光学相控阵等的性能；此外，它还将用于一些采用密集波导光互连的未来芯片架构中，大幅度节省面积与成本，提高集成度。简言之，这项突破性的技术，也将为我们的未来生活点亮更多的精彩，为人类制造了实现更多梦想的可能。 最近，一篇发表在《自然-通讯》杂志 (Nature Communications 6, 7027 (2015). DOI: 10.1038/ ncomms8027)上的论文引发了全世界硅基光电子研究领域的关注，也得到了南京大学校内通讯的重点推介。从通讯中难以抑制的喜悦氛围中我们得知，这是一项由该校现代工学院教授江伟作为通讯作者的波导超晶格研究，其半波长间距波导超晶格开辟了高密度光子集成的新思路。为全面了解这一国际前沿科研成果，介绍研究过程中所遇到问题和解决思路，通过主要研究人员的科研经历来揭示科研成果背后的不平凡的付出，本刊对这位拥抱“光时代”的“造梦者”——江伟教授进行了特别专访。 信息时代，电子设备的应用已经进入了爆发式增长时期。但是通讯信息流犹如拥堵的高速公路，曾经先进的技术已经进入瓶颈期，基于铜互连的超大规模集成电路和芯片处理器日趋临近极限。“光”的时代已经来临，硅基光子学的地位日趋凸显。该学科研究成果的突破，将会给光互联、光通讯、光信号处理、光计算、光传感与生物医学成像等应用带来巨大的契机。 可以说，硅集成电路已经改变了我们的生活，硅光子芯片有望为通讯和数据处理提供新的手段，开启信息技术新的篇章。不知不觉中，“光时代”已经走进了我们生活的各个领域。而这一切的背后，是许许多多像江伟教授一样的科学家付出的数十年的努力。 六年磨一剑，不服输的劲头是关键 江伟教授指导学生做实验 “提高集成密度已经被证实是在摩尔定律指引下硅集成电路取得成功的一个关键，同样在硅光子芯片的未来发展中也极其重要。遗憾的是，作为硅光子芯片中最常用的组件——硅波导，由于相邻波导靠近时强烈耦合产生的信号串扰，因此不能进行亚微米或亚波长间距的高密度集成。这是光子集成领域的一个经典问题。”江伟教授开门见山地为我们介绍了科研背景及重要难题。 今年5月，江伟教授作为通讯作者的这篇论文提出了一个“波导超晶格”的方案，终于解决了这个困扰学界已久的问题。该方案将包含若干不同宽度波导的“超元胞”在空间中周期性重复形成波导超晶格，通过控制超元胞中各个波导的宽度来抑制波导之间的相互耦合。 令学界振奋的研究成果背后，是科研过程那难以想象的艰辛和孤独。江伟介绍，这项研究早在2009年就开始了，由美国罗德格斯大学、布鲁克海文国家实验室、斯坦福大学、中佛罗里达大学光学中心和我国南京大学合作完成。 研究不是一帆风顺的，六年磨一剑所经历的孤独令江伟感受深刻。在此过程中，他们遇到了理论、模拟、加工和表征上的诸多挑战。理论和模拟上，广泛采用的FDTD法无法高效而精确地计算一个大的波导超晶格中的相对微弱耦合及侧壁粗糙度的散射效应；在加工过程中，一个微小的颗粒或缺陷就可以让两个波导（“光学导线”）“短路”，进而破坏整个结构的耦合抑制特性；在测试中，一个结构中往往有超过100个串扰通道需要去测定。有时候，顺序测完90多个理想的通道才发现一个由于缺陷造成的强串扰通道，几个星期的努力就都白费了。 “最终得到的这个串扰低于-20dB的半波长间距的波导超晶格，是我们整个团队通过不断发展新理论与模拟工具、提高加工工艺、完善测试技巧，反复实验、长期努力才做到了。”说着江伟笑了，笑得“云淡风轻”。那是一种努力终有所得后的轻松和释然。 如果说，提高集成密度，是在摩尔定律指引下硅集成电路取得成功的关键；那么，不服输的劲头，则是六年磨一剑最终取得胜利的关键。 寻梦者，更是造梦者 这些年，江伟觉得自己很幸运，一直从事着自己所爱的行业，一直努力践行着自己的目标，并实现了小时候成为科学家的梦。 从1992年走进南京大学求学的那一刻，江伟就在内心深深地埋下了一颗科研种子。喜欢听科学家故事的他，自己开始走上了一条科学家“养成”之路。1996年获得南京大学强化部（现在的匡亚明学院）物理专业学士学位后，江伟以优异的成绩保送本校物理系读研，在导师的影响下选择了无序光子晶体基础理论研究。当时光子晶体的研究正在兴起，有趣的研究课题很多。“从基础研究的角度看这些研究很有趣，但随着研究的深入，我意识到基础研究不但要扩展人类知识，还要使知识转化为应用才有价值。”怀着这样的想法，江伟开始了广泛涉猎。 从1998年到2014年，通过赴美深造、工作的16年的探索和追寻，江伟明晰了自己的科研之路。16年足以让一个婴儿长成一个少年，而江伟从未改变的科研方向和研究领域也日渐宽广清晰，汇聚成一个自己的体系。这期间，他拿到了美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理硕士学位，拿到该校电子和计算机工程博士学位，并获得了以工程学院院长命名的面向电子、光子材料与器件相关领域理工研究生的Ben Streetman奖。在科研方面，他作为美国联邦小企业创新项目（STTR）的负责人，2007年带领团队做出了世界首个硅基光子晶体高速电光调制器，并对硅基电光器件机理和功耗做了开拓性的研究，为当时正在形成中的新领域--硅基光子学做出了重要贡献。此外，他还完善了几个具有重要应用价值的物理理论，包括多维光子晶体表面问题的一般解，超棱镜效应敏感度的解析理论和光子晶体波导慢光损耗的解析理论，并通过实验得到了光子晶体慢光波导中高纯度的奇对称模式，并发展了奇偶模式转换器件。 16年间，江伟教授目前已在学术期刊和国际会议上发表论文70余篇，并获2项美国专利，2013年他获得美国罗得格斯(新泽西州立)大学电子和计算机工程系终身教职。在罗得格斯大学任教期间，他在科研、教学方面皆有建树，获2012年美国国防先进研究计划局青年教授奖（DARPA Young Faculty Award）、2013年电气与电子工程师协会一区（IEEE Region 1）杰出教学奖等荣誉。特别是得到美国国防先进研究计划局(DARPA)这个培育了互联网与GPS的顶尖科技机构的认可尤其可贵。2014年，并不满足于个人成就的江伟回到母校南京大学，在国家“青年千人计划”及江苏省“特聘教授”计划的支持下开始建立自己的课题组，为祖国的科技事业发展贡献力量。 这个寻梦的过程虽然艰辛，但是得到了师长和学校的帮助。就拿前文提到的项目来说，其研究就得到了国家青年千人计划、江苏特聘教授、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省优势学科建设工程等在内的一系列资助。 其实，江伟寻梦的过程何尝不是一个造梦的过程呢？他完成的高密度波导集成研究成果具有十分广泛的应用前景。不仅可以应用于实现超高密度的空分复用，部分替代对温度敏感的波分复用技术；还可以应用于提高重要集成光器件，如波分复用器件、集成光谱仪、光学相控阵等的性能；此外，它还将用于一些采用密集波导光互连的未来芯片架构中，大幅度节省面积与成本，提高集成度。简言之，这项突破性的技术，也将为我们的未来生活点亮更多的精彩，为人类制造了实现更多梦想的可能。

文章来源：《计算机工程与设计》 网址: http://www.jsjgcysjzz.cn/qikandaodu/2020/0904/458.html