在理工融合中探索成功
——記南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授江偉

本刊記者 肖貞林

在理工融合中探索成功
——記南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授江偉

本刊記者 肖貞林

專家簡介：

江偉，1996年于南京大學(xué)強(qiáng)化部物理專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位。2000年于美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校獲物理碩士學(xué)位，2005年于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校獲電子和計(jì)算機(jī)工程博士學(xué)位。2001年任美國瑞達(dá)光子研發(fā)工程師。2003年9月至2007年8月任美國歐米加光學(xué)高級(jí)工程師，研究員，高級(jí)研究員等職。2007年9月至2013年6月任美國羅得格斯(新澤西州立)大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系助理教授，2013年7月獲聘副教授，獲終身教職。2014年起在南京大學(xué)工作，任現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。

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。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)年代是聽著物理學(xué)家的故事長大的”江偉不無感慨地說。童年時(shí)代的成長經(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，并開始涉獵人文與社會(huì)科學(xué)學(xué)科，通過各類選修課學(xué)習(xí)和課外閱讀開闊了眼界。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，他開始思考物理理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的學(xué)習(xí)途徑，后來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)異的成績被保送南京大學(xué)物理系讀研，進(jìn)入理學(xué)院院長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)域有所開拓，在他的引導(dǎo)下江偉選擇了無序光子晶體中基礎(chǔ)理論研究，后來在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?！边@為江偉將來轉(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”，江偉開始思考怎樣把基礎(chǔ)物理學(xué)中的原理學(xué)以致用?！拔锢硎翘剿髟?，工程才能把物理原理與應(yīng)用結(jié)合起來”。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)立開展研究，開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家實(shí)驗(yàn)室開展合作，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國防先進(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?！倍嗄甑奶剿?，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)立開展研究。2001年起，美國經(jīng)濟(jì)開始下行，其后續(xù)效應(yīng)導(dǎo)致公司2003年開始研究經(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年江偉向美國聯(lián)邦研發(fā)資助機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了獨(dú)立開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?！斑@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，“我們決定從低速硅基光子晶體器件開始研究，剛開始前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、最簡單的工藝流程切入?！苯?jīng)過緊張實(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，通過這個(gè)項(xiàng)目的研究為歐米加光學(xué)公司開辟了一個(gè)新方向，并為企業(yè)獲得了第一項(xiàng)美國專利。

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Intel公司和另一所學(xué)校也在進(jìn)行研發(fā)。為了讓美國聯(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)測了常規(guī)10GHz硅基電光調(diào)制器的功耗約在50m W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“在實(shí)驗(yàn)中簡單往往比復(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”。

獲Streetman獎(jiǎng)時(shí)與德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校工學(xué)院院長、美國工程院院士Ben Streetman（中）及博士導(dǎo)師Ray Chen教授（左）共進(jìn)午餐。

教書育人為祖國獻(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)通過創(chuàng)新表達(dá)出來。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)祖國和故土的深深眷戀，2014年，江偉在國家青年千人計(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，開設(shè)了一門專業(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)院國際化辦學(xué)水平的提升?！皟?yōu)秀的科技人才是中國硅基光子技術(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)用器件研究過程中解決基礎(chǔ)層面的一些物理問題，他結(jié)合在美國研究和教學(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)物理問題，創(chuàng)新或改良器件，他鼓勵(lì)有能力的學(xué)生將來利用硅基光子技術(shù)去創(chuàng)業(yè)，為人類造福。

談到中國的硅基光子技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r時(shí)，江偉激動(dòng)地說：“目前發(fā)達(dá)國家的硅基光子技術(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)。中國雖然在這方面起步較遲，但現(xiàn)在與發(fā)達(dá)國家差距較小，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，以市場為導(dǎo)向，與企業(yè)協(xié)同研發(fā)，使國內(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，通過這個(gè)基地為中國硅基光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。