創新微納光子器件研究
——訪教育部新世紀優秀人才電子科技大學光電信息學院王卓然教授

創新微納光子器件研究
——訪教育部新世紀優秀人才電子科技大學光電信息學院王卓然教授

◎ 文/肖延勝 徐強

微納技術使人們對物質世界的認識進入到嶄新的階段，孕育著新的技術革命，給信息、材料、綠色制造、生物和醫學等領域帶來極大的發展空間。電子科技大學王卓然教授和袁國慧副教授是我國微納光子學、光通信與光傳感等光學領域杰出的青年科學家，以他們為骨干組建的微納光子器件與集成實驗室（MODEL）研究團隊，在微納光子器件及其應用技術研究領域，特別是在有源與無源環形諧振腔光子器件的研究方面做出了一系列創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絡技術、生化傳感與物聯網技術等領域具有廣泛的應用價值。

王卓然教授是2012年度教育部新世紀優秀人才入選者，2000年、2004年、2007年在天津大學電子信息工程學院分別獲得學士、碩士和博士學位，2006-2009年在英國布里斯托大學（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聘為教授/博導，2013-2014年在美國加州理工學院做訪問學者。

回望新世紀之初，正值世界互聯網與IT產業大發展的時代，在天津大學電子信息工程學院就讀研究生的王卓然也面臨著學術研究與就業的人生選擇。幸運的是，他遇到了我國光纖通信領域奠基人之一的天津大學楊恩澤教授、研究生導師天津大學于晉龍教授、博士生導師英國布里斯托大學余思遠教授等多位恩師。在幾年的學術研究過程中，他不僅接觸到了世界上最先進的光電子技術，還從各位老師身上學到了很多知識與道理，近距離感受到了老師這個崇高職業的魅力所在，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，深刻地認識到光纖通信與光網絡技術的發展趨勢，受限于越來越昂貴的超快光處理設備與器件，未來的發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略意義與社會經濟價值，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，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與光處理技術的研究方向，并將目標定位于實現集成光子回路與全光交換技術中的關鍵器件，進而實現在全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護、光邏輯、光緩存等功能。和電子工程專業相比，這一工作更加強調物理學背景，著重于物理學、光學工程和電子工程彼此之間的交叉融合，全新的研究領域也意味著巨大的挑戰，通過幾年的努力學習和勤奮工作，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期間，王卓然利用多點交叉垂直耦合單片集成高速光開關器件（XPoint），設計開發并搭建了用于控制該器件的超大規模集成電路系統，實現了一系列如光包緩存與時隙分配等新穎的全光網絡功能，利用該光電開關矩陣實現下一代光互聯網中的光路由器；通過對XPoint特性的深入研究，他發現可以將光路開關的電流增大到一定程度，巧妙地使開關半開半閉，從而一舉實現了在光網絡中具有重要應用價值的多路組播（Broadcast/Multicast）技術。以這一工作為突破口，他最終實現了該器件的4x4x4（輸入x輸出x波長）滿負荷波分復用信號的無損組播技術，該技術居國際領先水平并已接近實用，得到英國風險投資的前期資金資助，研究成果集中發表在本領域享有崇高聲譽的《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模單片集成與混合集成技術，掌握了光電子器件及其集成過程中的加工工藝與關鍵技術難點，摸索出國際一流的高難度加工工藝，開創性地研發了一系列世界首創的高質量光電子器件，如基于垂直耦合平臺的半導體光放大器-馬赫澤德（SOA-MZI）全光開關陣列，又如結構獨特的平面角反射器矩形微環諧振腔，并逐漸將微納光子器件的研究領域從光纖通信、光網絡拓展到光傳感方向。他實現了當時世界上尺寸最小的室溫連續工作的半導體環形激光器（SRL），在世界上首次發現和演示了微納米尺度光子器件的方向雙穩態與多穩態工作模式，基于首創的平面角反射器矩形微環諧振腔首次實現了高速全光交換、波長變換、邏輯開關、全光再生等技術，是目前已知的響應速度最快的SRL器件，相關研究成果連續多篇發表在《IEEE Photonics Technology Letters》與《Optics Express》等光學領域重量級期刊上，特別是2013年相關成果發表在影響因子達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基金重大項目與國家自然科學基金青年項目、國家“863”項目與“973”項目在內的國際、國家與省部級項目十余項，在微納光電子器件及其應用領域，獲得的一系列處于國際先進水平的學術成果，具有極大的科學和應用價值。目前已發表高水平學術論文七十余篇，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余項國家發明專利授權，現為美國電子電氣工程師協會（IEEE）會員,擔任國際期刊《ISRN Electronics》編委，并擔任包括IEEE、OSA等多個重要相關專業期刊審稿人，入選who is who 名人錄。

王卓然教授認為，人才培養對高校是重中之重，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。為適應目前多學科交叉的發展趨勢，人才培養不僅要在知識深度上，更要體現在知識的廣度上；同時要學用結合，以用帶學，通過參與實際項目的開發，將書本知識運用到實踐當中，更能加深對知識的理解與應用。以人才培養為牽引，通過幾年的學科建設，MODEL團隊已發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的20多人的學術團隊，并將以滿足國家與社會的重大發展需求為己任，以多項具有自主知識產權的微納光子器件與傳感技術為突破口，研發出更多的涵蓋能源、環保、醫學、礦產等領域的光、機、電、算一體化微納光子器件新產品。