創(chuàng)新微納光子器件研究
——訪教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院王卓然教授

◎ 文/肖延勝 徐強(qiáng)

微納技術(shù)使人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識進(jìn)入到嶄新的階段，孕育著新的技術(shù)革命，給信息、材料、綠色制造、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來極大的發(fā)展空間。電子科技大學(xué)王卓然教授和袁國慧副教授是我國微納光子學(xué)、光通信與光傳感等光學(xué)領(lǐng)域杰出的青年科學(xué)家，以他們?yōu)楣歉山M建的微納光子器件與集成實驗室（MODEL）研究團(tuán)隊，在微納光子器件及其應(yīng)用技術(shù)研究領(lǐng)域，特別是在有源與無源環(huán)形諧振腔光子器件的研究方面做出了一系列創(chuàng)新性的具有重要國際影響力的突出成就，研究成果在光通信與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、生化傳感與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

王卓然教授是2012年度教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才入選者，2000年、2004年、2007年在天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院分別獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，2006-2009年在英國布里斯托大學(xué)（University of Bristol）被聘任為副研究員，2009年底作為海外杰出人才被電子科技大學(xué)聘為教授/博導(dǎo)，2013-2014年在美國加州理工學(xué)院做訪問學(xué)者。

回望新世紀(jì)之初，正值世界互聯(lián)網(wǎng)與IT產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的時代，在天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院就讀研究生的王卓然也面臨著學(xué)術(shù)研究與就業(yè)的人生選擇。幸運的是，他遇到了我國光纖通信領(lǐng)域奠基人之一的天津大學(xué)楊恩澤教授、研究生導(dǎo)師天津大學(xué)于晉龍教授、博士生導(dǎo)師英國布里斯托大學(xué)余思遠(yuǎn)教授等多位恩師。在幾年的學(xué)術(shù)研究過程中，他不僅接觸到了世界上最先進(jìn)的光電子技術(shù)，還從各位老師身上學(xué)到了很多知識與道理，近距離感受到了老師這個崇高職業(yè)的魅力所在，也堅定了他選擇科研道路的決心。

王卓然在幾年研究工作中，深刻地認(rèn)識到光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢，受限于越來越昂貴的超快光處理設(shè)備與器件，未來的發(fā)展方向勢必將以微納光電子器件為主要突破口，如同集成電路所帶來的巨大影響一樣，微納光電子器件具有重要的戰(zhàn)略意義與社會經(jīng)濟(jì)價值，必將給社會帶來深刻的變革。基于以上原因，雖然本科是電子工程專業(yè)，主要和電路、電子的東西打交道，但是他卻在研究生階段選擇了微納光開關(guān)與光處理技術(shù)的研究方向，并將目標(biāo)定位于實現(xiàn)集成光子回路與全光交換技術(shù)中的關(guān)鍵器件，進(jìn)而實現(xiàn)在全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)、光邏輯、光緩存等功能。和電子工程專業(yè)相比，這一工作更加強(qiáng)調(diào)物理學(xué)背景，著重于物理學(xué)、光學(xué)工程和電子工程彼此之間的交叉融合，全新的研究領(lǐng)域也意味著巨大的挑戰(zhàn)，通過幾年的努力學(xué)習(xí)和勤奮工作，最終他取得了大量的科研成果，并且還在不斷取得新的突破。

在英國布里斯托大學(xué)期間，王卓然利用多點交叉垂直耦合單片集成高速光開關(guān)器件（XPoint），設(shè)計開發(fā)并搭建了用于控制該器件的超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)，實現(xiàn)了一系列如光包緩存與時隙分配等新穎的全光網(wǎng)絡(luò)功能，利用該光電開關(guān)矩陣實現(xiàn)下一代光互聯(lián)網(wǎng)中的光路由器；通過對XPoint特性的深入研究，他發(fā)現(xiàn)可以將光路開關(guān)的電流增大到一定程度，巧妙地使開關(guān)半開半閉，從而一舉實現(xiàn)了在光網(wǎng)絡(luò)中具有重要應(yīng)用價值的多路組播（Broadcast/Multicast）技術(shù)。以這一工作為突破口，他最終實現(xiàn)了該器件的4x4x4（輸入x輸出x波長）滿負(fù)荷波分復(fù)用信號的無損組播技術(shù)，該技術(shù)居國際領(lǐng)先水平并已接近實用，得到英國風(fēng)險投資的前期資金資助，研究成果集中發(fā)表在本領(lǐng)域享有崇高聲譽(yù)的《IEEE Photonics Technology Letters》和《IEEE/ OSA Journal of Lightwave Technology》上。

在集成光子器件研究方面，王卓然參與了英國工程與物理研究委員會EPSRC的RAPTOR項目、歐盟第六框架計劃等資助的重大課題MUFINs和IOLOS等重大課題，掌握了光電子器件的大規(guī)模單片集成與混合集成技術(shù)，掌握了光電子器件及其集成過程中的加工工藝與關(guān)鍵技術(shù)難點，摸索出國際一流的高難度加工工藝，開創(chuàng)性地研發(fā)了一系列世界首創(chuàng)的高質(zhì)量光電子器件，如基于垂直耦合平臺的半導(dǎo)體光放大器-馬赫澤德（SOA-MZI）全光開關(guān)陣列，又如結(jié)構(gòu)獨特的平面角反射器矩形微環(huán)諧振腔，并逐漸將微納光子器件的研究領(lǐng)域從光纖通信、光網(wǎng)絡(luò)拓展到光傳感方向。他實現(xiàn)了當(dāng)時世界上尺寸最小的室溫連續(xù)工作的半導(dǎo)體環(huán)形激光器（SRL），在世界上首次發(fā)現(xiàn)和演示了微納米尺度光子器件的方向雙穩(wěn)態(tài)與多穩(wěn)態(tài)工作模式，基于首創(chuàng)的平面角反射器矩形微環(huán)諧振腔首次實現(xiàn)了高速全光交換、波長變換、邏輯開關(guān)、全光再生等技術(shù)，是目前已知的響應(yīng)速度最快的SRL器件，相關(guān)研究成果連續(xù)多篇發(fā)表在《IEEE Photonics Technology Letters》與《Optics Express》等光學(xué)領(lǐng)域重量級期刊上，特別是2013年相關(guān)成果發(fā)表在影響因子達(dá)9.97的頂級期刊《Laser Physics Letters》上。

近年來依托電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，王卓然教授主持和參與包括國家自然科學(xué)基金重大項目與國家自然科學(xué)基金青年項目、國家“863”項目與“973”項目在內(nèi)的國際、國家與省部級項目十余項，在微納光電子器件及其應(yīng)用領(lǐng)域，獲得的一系列處于國際先進(jìn)水平的學(xué)術(shù)成果，具有極大的科學(xué)和應(yīng)用價值。目前已發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文七十余篇，其中SCI檢索30余篇（大部分為具有國際影響力的IEEE與OSA期刊文章），10余項國家發(fā)明專利授權(quán)，現(xiàn)為美國電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）會員,擔(dān)任國際期刊《ISRN Electronics》編委，并擔(dān)任包括IEEE、OSA等多個重要相關(guān)專業(yè)期刊審稿人，入選who is who 名人錄。

王卓然教授認(rèn)為，人才培養(yǎng)對高校是重中之重，不僅是高校本身價值所在，也是高校老師做好科研工作的源泉與動力。為適應(yīng)目前多學(xué)科交叉的發(fā)展趨勢，人才培養(yǎng)不僅要在知識深度上，更要體現(xiàn)在知識的廣度上；同時要學(xué)用結(jié)合，以用帶學(xué)，通過參與實際項目的開發(fā)，將書本知識運用到實踐當(dāng)中，更能加深對知識的理解與應(yīng)用。以人才培養(yǎng)為牽引，通過幾年的學(xué)科建設(shè)，MODEL團(tuán)隊已發(fā)展成為以王卓然教授和袁國慧副教授為核心的包括博士生和碩士生在內(nèi)的20多人的學(xué)術(shù)團(tuán)隊，并將以滿足國家與社會的重大發(fā)展需求為己任，以多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微納光子器件與傳感技術(shù)為突破口，研發(fā)出更多的涵蓋能源、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、礦產(chǎn)等領(lǐng)域的光、機(jī)、電、算一體化微納光子器件新產(chǎn)品。