在理工融合中探索成功

肖貞林

大數(shù)據(jù)時(shí)代，手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備在生活

中的廣泛運(yùn)用所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)中心的光互

聯(lián)技術(shù)需求有了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。與此同時(shí)，在信息

技術(shù)的另一方面，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。人們渴望有大容量、

高帶寬、低成本、小型化、能支持海量數(shù)據(jù)交換流

通、支撐下一代集成電路和高性能計(jì)算機(jī)的光互聯(lián)

技術(shù)出現(xiàn)，這促成了硅基光子學(xué)的產(chǎn)生。電光調(diào)制

器是硅基光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一，研發(fā)如何利用光

的巨大帶寬和速度與硅微電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)的器件

成為當(dāng)代科學(xué)人的重要研究課題，作為其中一員的

江偉運(yùn)用硅基光子學(xué)原理在光子器件與物理，微系

統(tǒng)集成等方面展開(kāi)了研究，2007年他主持的項(xiàng)目做

出了首個(gè)硅基光子晶體高速電光調(diào)制器，為當(dāng)時(shí)正

在形成中的新領(lǐng)域——硅基光子學(xué)貢獻(xiàn)出了綿薄之

力。如今，我們期待硅基光子學(xué)在光互聯(lián)、光通

訊、光信號(hào)處理、光計(jì)算、光傳感與生物醫(yī)學(xué)成像

等方面引起革命性的技術(shù)突破。

興趣引導(dǎo)初識(shí)物理世界

“我們那個(gè)年代是聽(tīng)著物理學(xué)家的故事長(zhǎng)大

的”江偉不無(wú)感慨地說(shuō)。童年時(shí)代的成長(zhǎng)經(jīng)歷培養(yǎng)

了江偉對(duì)物理的深厚興趣，特別是理論物理。1992

年他考入南京大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)強(qiáng)化部，即現(xiàn)在的

匡亞明學(xué)院。那時(shí)的南京大學(xué)正倡導(dǎo)“大理科”的

教學(xué)模式，學(xué)校匯集了一批優(yōu)秀的物理和相關(guān)學(xué)科

的教師，這為徜徉在物理學(xué)海洋中的江偉打下扎實(shí)

的數(shù)理基礎(chǔ)提供了良好的條件。期間，江偉對(duì)科學(xué)

哲學(xué)也產(chǎn)生了興趣，并開(kāi)始涉獵人文與社會(huì)科學(xué)學(xué)

科，通過(guò)各類選修課學(xué)習(xí)和課外閱讀開(kāi)闊了眼界。

值得一提的是他在研讀Max Born等科學(xué)

家對(duì)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)發(fā)展關(guān)系的著述中

得到了很大的啟發(fā)。在幾位授課老師和

一些科學(xué)報(bào)告的啟發(fā)下，他開(kāi)始思考物

理理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的學(xué)習(xí)途徑，后來(lái)本

科期間他師從王業(yè)寧院士與朱勁松教授

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，希望能為在研究生階段

深入研究物理理論打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本科畢業(yè)時(shí)，江偉以優(yōu)異的成績(jī)被

保送南京大學(xué)物理系讀研.進(jìn)入理學(xué)院

院長(zhǎng)龔昌德教授的理論研究組。光子晶

體研究的興起使龔老師期望學(xué)生能在這

個(gè)領(lǐng)域有所開(kāi)拓，在他的引導(dǎo)下江偉選

擇了無(wú)序光子晶體中基礎(chǔ)理論研究，后

來(lái)在Physical Review B發(fā)表了論文。“從

基礎(chǔ)研究方面看這個(gè)研究很有趣，但隨

著研究的深入.我意識(shí)到基礎(chǔ)研究不但

要擴(kuò)展人類知識(shí)，還要使知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)

用才有價(jià)值。”這為江偉將來(lái)轉(zhuǎn)向與器

件結(jié)合的基礎(chǔ)研究打下了思想基礎(chǔ)。

探索基礎(chǔ)物理與實(shí)際運(yùn)用

“研究不僅僅是一篇論文，也應(yīng)

考慮它可能產(chǎn)生的客觀價(jià)值”，江偉開(kāi)

始思考怎樣把基礎(chǔ)物理學(xué)中的原理學(xué)以

致用。“物理是探索原理，工程才能把

物理原理與應(yīng)用結(jié)合起來(lái)”。為更好

地將物理基礎(chǔ)理論運(yùn)用到工程應(yīng)用中，

學(xué)習(xí)國(guó)際前沿技術(shù)，1998年江偉赴美讀

研，就讀于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

期間，他接觸到如美國(guó)工程院院士John

B.Goodenough和Joe c.Campbell等一

些物理出身的工程名家。受他們的影

響，江偉明確了“光子晶體要真正得到

發(fā)展，就必須把研究項(xiàng)目和器件等工程

應(yīng)用結(jié)合在一起”，于是他開(kāi)始關(guān)注文

獻(xiàn)中將光子晶體的基礎(chǔ)研究與光通訊結(jié)

合形成有用器件的研究方向。2000年，

在獲得美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物

理碩士學(xué)位后，他決定進(jìn)入該校電子和

計(jì)算機(jī)工程系，致力于光子器件的博士

階段研究。同時(shí)從2001年至2007年，江

偉先后在瑞達(dá)光子、歐米加光學(xué)兩個(gè)科

技創(chuàng)業(yè)公司作研究與應(yīng)用工作。在這期

間，他完成了常規(guī)光纖通訊部件的實(shí)驗(yàn)

研究、光子晶體器件與物理的理論研

究、光子晶體器件與硅基光通訊器件的

實(shí)驗(yàn)研究等多個(gè)課題。特別是從2003年

起，他在博士導(dǎo)師Ray Chen所創(chuàng)立的科

技創(chuàng)業(yè)公司——?dú)W米加光學(xué)獨(dú)立開(kāi)展研

究，開(kāi)始了真正意義上的物理研究與實(shí)

際應(yīng)用的結(jié)合，在硅片上做出了第一個(gè)

光子晶體高速電光調(diào)制器，并將驅(qū)動(dòng)電

壓首次降低到通用硅基電子芯片可提供

的范圍。這項(xiàng)工作被Nature Photonics、

EE Times、Laser Focus World等幾十家

媒體廣泛報(bào)道。在這期間，他還發(fā)展、

完善了幾個(gè)具有重要應(yīng)用價(jià)值的物理理

論，包括多維光子晶體表面問(wèn)題的一般

解，超棱鏡效應(yīng)敏感度的解析理論。

2005年，江偉取得了博士學(xué)位，獲得了

以工程學(xué)院院長(zhǎng)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(jiǎng)。

在美國(guó)羅得格斯（新澤西州立）大

學(xué)任教期間他繼續(xù)對(duì)硅基熱光器件、硅

基光子晶體慢光效應(yīng)等方面開(kāi)展基礎(chǔ)研

究，實(shí)驗(yàn)得到了光子晶體慢光波導(dǎo)中高

純度的奇對(duì)稱模式，發(fā)展了奇偶模式

轉(zhuǎn)換器件。他還與附近的貝爾實(shí)驗(yàn)室以

及布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展合作，確

定了硅基正交幅度調(diào)制器、空間光調(diào)制

器、對(duì)稱性變換硅基光子器件、納米光

學(xué)成像與光刻等新發(fā)展方向。2008年，

江偉參與了一個(gè)由美國(guó)聯(lián)邦支持的硅基

光子學(xué)大型跨學(xué)科合作項(xiàng)目，并負(fù)責(zé)其

中一個(gè)子課題。2012年，江偉因硅基光

子學(xué)方面的研究獲得了美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研

究計(jì)劃局的青年教授獎(jiǎng)。

“如果一個(gè)研究方向僅是在學(xué)術(shù)

上提供研究，那其活力通常10年就散失

了，其研究興趣結(jié)果也會(huì)慢慢消退。要

使一個(gè)研究方向常盛不衰就必須要服務(wù)

社會(huì)，形成一個(gè)強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)支撐

其發(fā)展，比如電子器件、電子電路研究

了幾十年后都不衰的原因就是其外圍有

大量的信息產(chǎn)業(yè)和硬件產(chǎn)業(yè)需求作支

撐。”多年的探索，江偉認(rèn)為硅基光子

學(xué)要經(jīng)研究到實(shí)踐最終走向社會(huì)形成產(chǎn)

業(yè)才能有廣闊的前景和平臺(tái)。他希望中

國(guó)的基礎(chǔ)物理研究的相關(guān)領(lǐng)域要瞄準(zhǔn)一

些可產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，讓研究成果能

為社會(huì)所用，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值，才能使

學(xué)院研究有價(jià)值。

在困境中堅(jiān)持就會(huì)成功

在江偉的研究探索中，讓他最難

忘、最有成就感的經(jīng)歷是他在博士導(dǎo)師

Ray Chen所創(chuàng)立的科技創(chuàng)業(yè)公司——?dú)W

米加光學(xué)獨(dú)立開(kāi)展研究。2001年起，美

國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)始下行，其后續(xù)效應(yīng)導(dǎo)致公司

2003年開(kāi)始研究經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，公司科

研人員及總經(jīng)理在內(nèi)的員工大都紛紛離

職，“當(dāng)時(shí)硅基光子學(xué)研究剛起步”。

2004年江偉向美國(guó)聯(lián)邦研發(fā)資助機(jī)構(gòu)申

請(qǐng)了獨(dú)立開(kāi)展研究高速硅基光子晶體器

件的項(xiàng)目，同年獲批，該項(xiàng)目是美國(guó)

設(shè)立的典型的小公司創(chuàng)新項(xiàng)目，經(jīng)歷3

年分兩個(gè)階段。其中第一階段歷時(shí)9個(gè)

月，盡管導(dǎo)師Ray Chen先后派給他兩名

學(xué)生，但是當(dāng)時(shí)準(zhǔn)備時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)研究

起步晚，3個(gè)人的團(tuán)隊(duì)還是略微單薄。

“這時(shí)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同合作就顯得非常重

要”江偉感慨地說(shuō)，“我們決定從低速

硅基光子晶體器件開(kāi)始研究，剛開(kāi)始前

4個(gè)月進(jìn)展緩慢，經(jīng)總結(jié)后到了第5個(gè)月

我們重新在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了調(diào)整，選擇了

從成功率較高的、最簡(jiǎn)單的工藝流程切

入。”經(jīng)過(guò)緊張實(shí)驗(yàn)，特別是最后2個(gè)

月全團(tuán)隊(duì)夜以繼日、全力實(shí)驗(yàn)、及時(shí)分

析、逐個(gè)解決各類問(wèn)題，最終使第一階

段的研究告以成功，并獲得了第二階段

的研究經(jīng)費(fèi)。經(jīng)過(guò)第二階段1年多的實(shí)

驗(yàn)研究，2007年做出了首個(gè)硅基光子晶

體高速電光調(diào)制器，器件尺寸比常規(guī)電

光調(diào)制器縮小一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)也首次

將硅基高速電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓降低

到通用硅基電子芯片可提供的范圍，為

進(jìn)一步發(fā)展硅基光電集成掃清了障礙，

通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的研究為歐米加光學(xué)公司

開(kāi)辟了一個(gè)新方向，并為企業(yè)獲得了第

一項(xiàng)美國(guó)專利。

在江偉團(tuán)隊(duì)研究硅基光子晶體高速

電光調(diào)制器的同時(shí)，美國(guó)lntel公司和另

一所學(xué)校也在進(jìn)行研發(fā)。為了讓美國(guó)聯(lián)

邦研發(fā)資助機(jī)構(gòu)明白該項(xiàng)目的重要性，

江偉在申請(qǐng)中提請(qǐng)從低速和高速兩個(gè)階

段研究。為闡明低速和高速電光調(diào)制器

的不同，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)首次用物理理

論作了高速器件原理分析，對(duì)硅基電光

器件機(jī)理和功耗做了開(kāi)拓性的研究，提

出了驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度和調(diào)制頻率的標(biāo)度關(guān)

系與非理想二極管效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的影

響，并應(yīng)用這些原理解釋了硅基高速電

光調(diào)制器的低驅(qū)動(dòng)電壓的物理機(jī)制。進(jìn)

一步，江偉于2007年預(yù)測(cè)了常規(guī)10GHz

硅基電光調(diào)制器的功耗約在50mw量

級(jí)，并被IBM華生實(shí)驗(yàn)室很快驗(yàn)證，為

定量研究硅基光互聯(lián)的功耗提供了一個(gè)

切入點(diǎn)。此后，硅基高速電光調(diào)制器功

耗大小成為硅基光互聯(lián)技術(shù)的一個(gè)重要

指標(biāo)，如何降低硅基高速電光調(diào)制器的

功耗問(wèn)題成為了研究熱點(diǎn)。江偉團(tuán)隊(duì)所

做的工作為當(dāng)時(shí)正在形成的新領(lǐng)域

硅基光子學(xué)，尤其是其關(guān)鍵技術(shù)之一的

硅基高速電光器件的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

江偉認(rèn)為這段經(jīng)歷對(duì)他的影響很

大，他說(shuō)“在實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)單往往比復(fù)雜更

容易成功，其實(shí)人生也好、做事也好，

面對(duì)紛繁復(fù)雜的環(huán)境，關(guān)鍵是在困難時(shí)

如何選擇，集中注意力，堅(jiān)持努力做好

一兩件事，就會(huì)成功”。

教書(shū)育人為祖國(guó)獻(xiàn)策獻(xiàn)力

“作為一名教師不僅要傳承知識(shí)，

更要有自己獨(dú)立的思想和創(chuàng)造力”。

2007年，江偉獲聘美國(guó)羅得格斯（新澤

西州立）大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系助

理教授。他致力于電磁學(xué)和光電子方

向的教學(xué)，注重提高學(xué)生的理解接受

能力，引導(dǎo)學(xué)生把自己的能力和知識(shí)

點(diǎn)通過(guò)創(chuàng)新表達(dá)出來(lái)。2013年他指導(dǎo)

的本科生團(tuán)隊(duì)獲得羅得格斯大學(xué)電子

和計(jì)算機(jī)工程系本科畢業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)一等

獎(jiǎng)。同年，江偉又獲聘羅得格斯大學(xué)

副教授暨終身教職，并獲電氣與電子

工程師協(xié)會(huì)一區(qū)杰出教學(xué)獎(jiǎng)。

懷著對(duì)祖國(guó)和故土的深深眷戀，

2014年，江偉在國(guó)家青年千人計(jì)劃和江

蘇特聘教授計(jì)劃的支持下回到南京大

學(xué)，任現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授，

博士生導(dǎo)師。他遵循學(xué)院的辦學(xué)方針，

開(kāi)設(shè)了一門(mén)專業(yè)課程，堅(jiān)持講課、作

業(yè)、考試完全以英文完成，推動(dòng)了學(xué)院

國(guó)際化辦學(xué)水平的提升。“優(yōu)秀的科

技人才是中國(guó)硅基光子技術(shù)發(fā)展的基

礎(chǔ)”，為幫助學(xué)生把握基礎(chǔ)研究的應(yīng)用

前景，在實(shí)用器件研究過(guò)程中解決基礎(chǔ)

層面的一些物理問(wèn)題，他結(jié)合在美國(guó)研

究和教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從物理基礎(chǔ)

與光電子器件的融合、理論與實(shí)驗(yàn)的融

合等問(wèn)題上去尋找新的、獨(dú)特的視角，

投身于解決一些非大眾熱點(diǎn)的基礎(chǔ)物理

問(wèn)題，創(chuàng)新或改良器件，他鼓勵(lì)有能力

的學(xué)生將來(lái)利用硅基光子技術(shù)去創(chuàng)業(yè)，

為人類造福。

談到中國(guó)的硅基光子技術(shù)發(fā)展?fàn)?/p>

況時(shí)，江偉激動(dòng)地說(shuō)：“目前發(fā)達(dá)國(guó)家

的硅基光子技術(shù)都以基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研

究最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化一條龍的方式大步邁

進(jìn)。中國(guó)雖然在這方面起步較遲，但

現(xiàn)在與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較小，追趕為時(shí)未

晚”。高校在發(fā)展硅基光子學(xué)術(shù)研究的

同時(shí)，要和實(shí)際結(jié)合，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，

與企業(yè)協(xié)同研發(fā)，使國(guó)內(nèi)的硅基光子技

術(shù)盡快從基礎(chǔ)研發(fā)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，

形成“學(xué)、研、產(chǎn)”協(xié)同發(fā)展，最終實(shí)

現(xiàn)科學(xué)研究為社會(huì)服務(wù)的目標(biāo)。眼下，

江偉希望能在南京大學(xué)為硅基光子學(xué)發(fā)

展創(chuàng)建一個(gè)人才培養(yǎng)和前期研發(fā)的基

地，通過(guò)這個(gè)基地為中國(guó)硅基光子產(chǎn)業(yè)

的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。