○文/肖延勝

擁抱“光時代”的“造夢者”
——記國家“青年千人計劃”特聘教授、南京大學(xué)博士生導(dǎo)師江偉

○文/肖延勝

最近，一篇發(fā)表在《自然-通訊》雜志 (Nature Communications 6, 7027 (2015). DOI: 10.1038/ ncomms8027)上的論文引發(fā)了全世界硅基光電子研究領(lǐng)域的關(guān)注，也得到了南京大學(xué)校內(nèi)通訊的重點推介。從通訊中難以抑制的喜悅氛圍中我們得知，這是一項由該校現(xiàn)代工學(xué)院教授江偉作為通訊作者的波導(dǎo)超晶格研究，其半波長間距波導(dǎo)超晶格開辟了高密度光子集成的新思路。為全面了解這一國際前沿科研成果，介紹研究過程中所遇到問題和解決思路，通過主要研究人員的科研經(jīng)歷來揭示科研成果背后的不平凡的付出，本刊對這位擁抱“光時代”的“造夢者”——江偉教授進行了特別專訪。

信息時代，電子設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)進入了爆發(fā)式增長時期。但是通訊信息流猶如擁堵的高速公路，曾經(jīng)先進的技術(shù)已經(jīng)進入瓶頸期，基于銅互連的超大規(guī)模集成電路和芯片處理器日趨臨近極限?！肮狻钡臅r代已經(jīng)來臨，硅基光子學(xué)的地位日趨凸顯。該學(xué)科研究成果的突破，將會給光互聯(lián)、光通訊、光信號處理、光計算、光傳感與生物醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用帶來巨大的契機。

可以說，硅集成電路已經(jīng)改變了我們的生活，硅光子芯片有望為通訊和數(shù)據(jù)處理提供新的手段，開啟信息技術(shù)新的篇章。不知不覺中，“光時代”已經(jīng)走進了我們生活的各個領(lǐng)域。而這一切的背后，是許許多多像江偉教授一樣的科學(xué)家付出的數(shù)十年的努力。

六年磨一劍，不服輸?shù)膭蓬^是關(guān)鍵

江偉教授指導(dǎo)學(xué)生做實驗

“提高集成密度已經(jīng)被證實是在摩爾定律指引下硅集成電路取得成功的一個關(guān)鍵，同樣在硅光子芯片的未來發(fā)展中也極其重要。遺憾的是，作為硅光子芯片中最常用的組件——硅波導(dǎo)，由于相鄰波導(dǎo)靠近時強烈耦合產(chǎn)生的信號串?dāng)_，因此不能進行亞微米或亞波長間距的高密度集成。這是光子集成領(lǐng)域的一個經(jīng)典問題。”江偉教授開門見山地為我們介紹了科研背景及重要難題。

今年5月，江偉教授作為通訊作者的這篇論文提出了一個“波導(dǎo)超晶格”的方案，終于解決了這個困擾學(xué)界已久的問題。該方案將包含若干不同寬度波導(dǎo)的“超元胞”在空間中周期性重復(fù)形成波導(dǎo)超晶格，通過控制超元胞中各個波導(dǎo)的寬度來抑制波導(dǎo)之間的相互耦合。

令學(xué)界振奮的研究成果背后，是科研過程那難以想象的艱辛和孤獨。江偉介紹，這項研究早在2009年就開始了，由美國羅德格斯大學(xué)、布魯克海文國家實驗室、斯坦福大學(xué)、中佛羅里達大學(xué)光學(xué)中心和我國南京大學(xué)合作完成。

研究不是一帆風(fēng)順的，六年磨一劍所經(jīng)歷的孤獨令江偉感受深刻。在此過程中，他們遇到了理論、模擬、加工和表征上的諸多挑戰(zhàn)。理論和模擬上，廣泛采用的FDTD法無法高效而精確地計算一個大的波導(dǎo)超晶格中的相對微弱耦合及側(cè)壁粗糙度的散射效應(yīng)；在加工過程中，一個微小的顆粒或缺陷就可以讓兩個波導(dǎo)（“光學(xué)導(dǎo)線”）“短路”，進而破壞整個結(jié)構(gòu)的耦合抑制特性；在測試中，一個結(jié)構(gòu)中往往有超過100個串?dāng)_通道需要去測定。有時候，順序測完90多個理想的通道才發(fā)現(xiàn)一個由于缺陷造成的強串?dāng)_通道，幾個星期的努力就都白費了。

“最終得到的這個串?dāng)_低于-20dB的半波長間距的波導(dǎo)超晶格，是我們整個團隊通過不斷發(fā)展新理論與模擬工具、提高加工工藝、完善測試技巧，反復(fù)實驗、長期努力才做到了?！闭f著江偉笑了，笑得“云淡風(fēng)輕”。那是一種努力終有所得后的輕松和釋然。

如果說，提高集成密度，是在摩爾定律指引下硅集成電路取得成功的關(guān)鍵；那么，不服輸?shù)膭蓬^，則是六年磨一劍最終取得勝利的關(guān)鍵。

尋夢者，更是造夢者

這些年，江偉覺得自己很幸運，一直從事著自己所愛的行業(yè)，一直努力踐行著自己的目標(biāo)，并實現(xiàn)了小時候成為科學(xué)家的夢。

從1992年走進南京大學(xué)求學(xué)的那一刻，江偉就在內(nèi)心深深地埋下了一顆科研種子。喜歡聽科學(xué)家故事的他，自己開始走上了一條科學(xué)家“養(yǎng)成”之路。1996年獲得南京大學(xué)強化部（現(xiàn)在的匡亞明學(xué)院）物理專業(yè)學(xué)士學(xué)位后，江偉以優(yōu)異的成績保送本校物理系讀研，在導(dǎo)師的影響下選擇了無序光子晶體基礎(chǔ)理論研究。當(dāng)時光子晶體的研究正在興起，有趣的研究課題很多?！皬幕A(chǔ)研究的角度看這些研究很有趣，但隨著研究的深入，我意識到基礎(chǔ)研究不但要擴展人類知識，還要使知識轉(zhuǎn)化為應(yīng)用才有價值?！睉阎@樣的想法，江偉開始了廣泛涉獵。

從1998年到2014年，通過赴美深造、工作的16年的探索和追尋，江偉明晰了自己的科研之路。16年足以讓一個嬰兒長成一個少年，而江偉從未改變的科研方向和研究領(lǐng)域也日漸寬廣清晰，匯聚成一個自己的體系。這期間，他拿到了美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物理碩士學(xué)位，拿到該校電子和計算機工程博士學(xué)位，并獲得了以工程學(xué)院院長命名的面向電子、光子材料與器件相關(guān)領(lǐng)域理工研究生的Ben Streetman獎。在科研方面，他作為美國聯(lián)邦小企業(yè)創(chuàng)新項目（STTR）的負責(zé)人，2007年帶領(lǐng)團隊做出了世界首個硅基光子晶體高速電光調(diào)制器，并對硅基電光器件機理和功耗做了開拓性的研究，為當(dāng)時正在形成中的新領(lǐng)域--硅基光子學(xué)做出了重要貢獻。此外，他還完善了幾個具有重要應(yīng)用價值的物理理論，包括多維光子晶體表面問題的一般解，超棱鏡效應(yīng)敏感度的解析理論和光子晶體波導(dǎo)慢光損耗的解析理論，并通過實驗得到了光子晶體慢光波導(dǎo)中高純度的奇對稱模式，并發(fā)展了奇偶模式轉(zhuǎn)換器件。

16年間，江偉教授目前已在學(xué)術(shù)期刊和國際會議上發(fā)表論文70余篇，并獲2項美國專利，2013年他獲得美國羅得格斯(新澤西州立)大學(xué)電子和計算機工程系終身教職。在羅得格斯大學(xué)任教期間，他在科研、教學(xué)方面皆有建樹，獲2012年美國國防先進研究計劃局青年教授獎（DARPA Young Faculty Award）、2013年電氣與電子工程師協(xié)會一區(qū)（IEEE Region 1）杰出教學(xué)獎等榮譽。特別是得到美國國防先進研究計劃局(DARPA)這個培育了互聯(lián)網(wǎng)與GPS的頂尖科技機構(gòu)的認可尤其可貴。2014年，并不滿足于個人成就的江偉回到母校南京大學(xué)，在國家“青年千人計劃”及江蘇省“特聘教授”計劃的支持下開始建立自己的課題組，為祖國的科技事業(yè)發(fā)展貢獻力量。

這個尋夢的過程雖然艱辛，但是得到了師長和學(xué)校的幫助。就拿前文提到的項目來說，其研究就得到了國家青年千人計劃、江蘇特聘教授、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程等在內(nèi)的一系列資助。

其實，江偉尋夢的過程何嘗不是一個造夢的過程呢？他完成的高密度波導(dǎo)集成研究成果具有十分廣泛的應(yīng)用前景。不僅可以應(yīng)用于實現(xiàn)超高密度的空分復(fù)用，部分替代對溫度敏感的波分復(fù)用技術(shù)；還可以應(yīng)用于提高重要集成光器件，如波分復(fù)用器件、集成光譜儀、光學(xué)相控陣等的性能；此外，它還將用于一些采用密集波導(dǎo)光互連的未來芯片架構(gòu)中，大幅度節(jié)省面積與成本，提高集成度。簡言之，這項突破性的技術(shù)，也將為我們的未來生活點亮更多的精彩，為人類制造了實現(xiàn)更多夢想的可能。