硅基光子产学研一体化探索之路

中国经济网北京11月4日讯 从南京大学的高材生到南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师，他用十余年时间提高学术，刻苦钻研；从国外优越的科研环境回归到祖国的科研教育事业，他科学报国，传道授业；从物理研究的新领域到多个重大科研成果的完成，他迎难而上，开拓创新。

他就是在硅基光子器件、光子晶体器件与物理、光子集成等方面颇有建树的国家“青年千人计划”特聘教授——江伟。

江伟，1996年于毕业于南京大学强化部物理学专业。2000年、2005年于美国德克萨斯大学奥斯汀分校先后获物理硕士、电子和计算机工程博士学位。曾任美国欧米加光学高级研究员等职。2013年7月于美国罗得格斯(新泽西州立)大学电子和计算机工程系晋升副教授，并获终身教职。现为南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。

从兴趣到事业拾阶而上

从小听着物理学家故事长大的江伟，对物理世界有强烈的探知欲望，并心怀崇敬与向往。高考时，江伟以优异成绩被南京大学提前录取，选择专业的方向当然是他热爱的物理学。

兴趣是最好的老师，天分过人的江伟进入了南京大学的基础学科教学强化部，即现在的匡亚明学院。基础学科教学强化部集中了南京大学全部的教学优势与教师资源，尤其是它的大理科通识教育模式，让江伟打下了牢靠的数理基础，为今后的科研事业打下了良好的根基。在上学期间，江伟沉浸在物理学的海洋，因为学习成绩优异，他在本科阶段就已进入实验室，师从王业宁院士与朱劲松教授，开始做实验研究，尝试把物理理论与实验相结合。

毫无疑问，本科毕业后，名列前茅的江伟被保送到南京大学物理系读研，进入理学院院长龚昌德教授的理论研究组。当时，光子晶体研究正在兴起，龚老师引导他进入这个领域，主要进行无序光子晶体中基础理论研究。在龚老师指导下，硕士阶段江伟就在Physical Review B发表了论文。

彼时，江伟找到了光子晶体研究的兴趣，同时随着研究的深入，他逐渐意识到基础研究不仅能扩展人类的知识，更重要的是能够进一步将知识转化为应用，体现实际价值。随着思考的深入以及研究的推进，他逐渐将研究重点转向与器件相结合的基础研究领域。

为了学习国际前沿技术，1998年江伟赴美德克萨斯大学奥斯汀分校继续深造。期间，他接触到美国工程院院士John B. Goodenough和Joe C. Campbell等物理出身的工程名家。受他们影响，江伟进一步明确了“光子晶体要真正得到发展，就必须把物理研究和器件等工程应用结合在一起”，开始关注光子晶体的基础研究与光通讯结合形成有用器件的研究方向。2000年，江伟在获得美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理硕士学位后，他决定进入该校电子和计算机工程系，致力于光子器件的博士阶段研究。

博士学习期间，江伟得到机会在创新企业实践，积累了产学研结合的经验，获得了一些成果。之后，江伟于2007年赴美国罗得格斯(新泽西州立)大学任教。在罗得格斯大学，他与附近的贝尔实验室、布鲁克海文国家实验室、以及斯坦福大学教授美国工程院院士Fabian Pease、硅基光子学的先行者Richard Soref、中佛罗里达大学光学中心的Demetrios N. Christodoulides教授等开展了广泛合作。确定了硅基正交幅度调制器、高密度集成、空间光调制器、对称性变换硅基光子器件、纳米光学成像与光刻等新发展方向。期间他以硅基光子晶体器件研究为契机，研究重心逐渐从光子晶体转向硅基光子学。

2008年，江伟参与了一个由美国联邦支持的硅基光子学大型跨学科合作项目，并负责其中一个子课题。

天资聪颖，勤奋努力，学术突出。江伟在2012年因硅基光子学方面的研究获得了美国国防先进研究计划局(DARPA)的青年教授奖。这个奖对江伟来说，是荣誉又是激励。近年来，他还多次担任相关领域主流国际会议如CLEO、Photonics West、IEEE光互连会议的技术评审委员。在此过程中，江伟的研究逐渐得到了学界以及相关领域的广泛认可与肯定。

探索实践产学研结合的道路

良好的教育背景，为江伟的科研事业打下了坚实的理论基础。善于思考的他，同时逐渐认识到科研最终要服务社会。光子晶体要经研究到实践，最终走向社会形成产业，才能有广阔的前景和平台。读博期间，经过反复思考，他判断当时热门的三维光子晶体的方向技术瓶颈明显、应用前景不明，因而转向应用前景更光明的平面型光子晶体的研究。

考虑到硅材料在微加工方面优势，2002年江伟向导师提出了研究平面型硅基光子晶体波导及器件的意向。当时硅基光子学尚未形成一个热门领域，这方面的科研经费匮乏，只能暂时搁置。2003年开始，博士导师Ray Chen在其所创立的科技创业公司——欧米加光学给了江伟独立开展研究的兼职机会，为他提供了自主开拓新方向的条件。

2004年，尚在攻读博士学位的江伟向美国联邦研发机构申请了独立开展研究高速硅基光子晶体电光器件的项目，同年获批。该项目是美国联邦的小公司创新项目，分两个阶段历经三年。2007年江伟带领研究团队做出了首个硅基光子晶体高速电光调制器，器件尺寸比常规电光调制器缩小一个数量级，同时也首次将硅基高速电光调制器的驱动电压降低到通用硅基电子芯片可提供的范围，为进一步发展硅基光电集成扫清了障碍，通过这个项目的研究为欧米加光学公司开辟了一个新方向，并为企业获得了第一项美国专利。

当时，全球范围内硅基高速电光器件的研究刚起步，此前仅有Intel公司与康奈尔大学报道了硅基高速电光器件。科研界对硅基高速电光器件的机理了解甚少，对功耗等相关重要指标也缺乏量化分析。而功耗等指标对硅基光子学的在超级计算机、数据中心中的应用至关重要，备受产业界的重视。

凭借南大打下的物理功底与德克萨斯大学学到的器件知识，江伟首次用物理理论对硅基电光器件机理和功耗做了开拓性的研究，提出了驱动电流强度和调制频率的标度关系、以及非理想二极管效应对驱动电压的影响。并应用这些原理解释了硅基高速电光调制器的低驱动电压的物理机制。进一步，他于2007年中期预测了常规10GHz硅基电光调制器的功耗约在50mW量级，并被IBM华生实验室很快验证，为定量研究硅基光互联的功耗提供了一个切入点。

此后，硅基高速电光调制器功耗大小成为硅基光互联技术的一个重要指标，如何降低硅基高速电光调制器的功耗问题成为了学术界与工业界的研究热点。江伟团队所做的工作为当时正在形成的新领域--硅基光子学，尤其是其关键技术之一的硅基高速电光器件的发展做出了贡献。这些研究成果被《自然-光子学》、《电子工程时代》（EE Times）等科技与产业媒体所报导，受到了相关领域的广泛关注。江伟也于当年获得了罗得格斯大学的助理教授职位，并于翌年开始在美国联邦的一个硅基光子学大型跨学科合作项目中主持一个子课题。

科研方面颇多建树，业界经历亦有所成。而江伟始终不忘自己是一名大学老师，传道授业，他颇多心得。他兼收并蓄中西不同的教育理念，认为教师最重要的不是填鸭式地传授知识，而是培养学生独立思考的能力和创造力。他培养的博士生有的已开始在美国大学任助理教授，2013 年他指导的本科生团队获得罗得格斯大学电子和计算机工程系本科毕业设计一等奖。此团队组长毕业后又以此技术独立组团参加麻省理工学院的2014年清洁能源奖（MIT Clean Energy Prize）评选，获可再生能源类最佳项目奖。因教学成就突出，江伟曾获电气与电子工程师协会（IEEE）一区杰出教学奖。

归来报国一心奉献

虽然国外的科研和教学环境比国内优越，但是怀着科学报国的志向和对祖国的深深依恋，2014年江伟在国家青年千人计划和江苏特聘教授计划的支持下回到南京大学，任现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。他希望把在国外积累的产学研丰富经验带回国内，为国家培养更多优秀的人才。他积极实践学院的国际化办学方针，开设了一门专业课程，坚持讲课、作业、考试完全以英文完成，推动了学院国际化办学水平的提升。他还希望能在南京大学为硅基光子学发展创建一个人才培养和前期研发的基地，通过这个基地为中国硅基光子产业的发展贡献一份力量。

展望未来，江伟觉得高密度集成是一个重要方向。近年来，硅基光子研究日益向大规模集成方向发展，提高集成密度成为硅基光子产业发展的主要发展方向。江伟2008年开始思考这方面的问题，2009年思路初步形成，经不懈努力终于在高密度波导集成方面取得重要突破，并于2015年在Nature Communications（《自然-通讯》杂志）发表。长期以来，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难题。此问题貌似简单，突破点难寻，长期以来少有人探索。

江伟原创性提出了一个“波导超晶格”的方案来解决这个问题。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。高密度波导超晶格在理论、微加工、测试等方面都充满挑战，江伟带领的研究团队经过长期的攻关,最终得到了串扰低于-20dB的半波长间距的波导超晶格。由于高密度波导集成是一个基础性问题，这项研究成果应用前景非常广泛，如可用于大幅度提高波分复用、空分复用、光谱仪、光学相控阵等相关器件的性能，或降低其成本。并为创制硅基高速空间光调制器等新型器件提供了可能。江伟希望能在这些方面继续开展研究。

当今世界，科技立国日益重要，产学研合作是顺应科技经济一体化趋向的必然要求。未来中国的硅基光子技术发展状况也将逐步向发达国家的模式靠拢，即从基础研究到应用研究最终实现产业化一条龙。江伟在硅基高速电光器件功耗、高密度硅基波导集成等问题上的成果表明：有些关键的技术性问题，工业界很关注却不知从何入手，高校在发展硅基光子学术研究的同时，也需要以产业关心的重大问题为导向，深入理解应用需求，有所预见，敢于原创，帮助业界找到突破口，与企业一起协同发展，使国内的硅基光子技术尽快从基础研发转化为产业化发展，最终实现科学研究为社会服务的目的。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索，江伟也将继续在这条道路上积极探索、实践，期待与国内业界携手前进。