激光之旅
——記電子科技大學光電信息學院教授王卓然

本刊記者 王 輝

激光之旅
——記電子科技大學光電信息學院教授王卓然

本刊記者 王 輝

上世紀70年代半導體激光器研制成功，之后隨著各種類型激光器的出現(xiàn)，性能不斷提高，互聯(lián)網和通信業(yè)得以飛速發(fā)展。半導體激光器具有波長范圍寬，成本低、體積小、重量輕、壽命長、兼容性強等特性，是現(xiàn)代信息社會的基石，廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領域，受到各國政府的高度重視。成就背后是無數(shù)科學工作者默默的努力和不斷創(chuàng)新。

作為少數(shù)具有多領域與學術交叉背景的復合型人才，王卓然教授在以半導體微環(huán)激光器為代表的光子器件及其應用方面成績斐然。他在海外工作期間參與了英國工程與物理研究委員會EPSRC、歐盟第六框架計劃等重大課題，利用基于垂直耦合波導4×4電光開關矩陣實現(xiàn)了4×4×4(輸入×輸出×波長)滿負荷WDM無損組播技術，居于國際領先水平；在集成光子器件方面，他成功制作出當時世界上尺寸最小的室溫連續(xù)工作的平面角反射器矩形微環(huán)激光器，并首次演示了全光四進制光信息存儲等應用。

興趣使然的執(zhí)著追求

在太原長大的王卓然屬于“學霸”類學生，因成績優(yōu)異，高考時被保送到天津大學，1995年他第一次接觸互聯(lián)網與電子郵件，好奇讓他對IT、網絡通信產生了濃厚的興趣，從此沉浸在其中一發(fā)不可收拾，這是他后來選擇電子工程與光通信專業(yè)的潛在動因。在天津大學的求學生涯中好奇與探索總是伴在他左右，記得在讀研究生的時候為了解決依據(jù)激光器外部工作性能反推其內部參數(shù)的問題，他跑遍了天津大學數(shù)學系的各個課題組，請教不同的教授，甚至還去南開大學數(shù)學系拜訪，他認為這個問題與常見的參數(shù)擬合的問題大相徑庭，該如何從大量的測量數(shù)據(jù)中擬合到有限的幾個參數(shù)？他查閱了大量資料和參考，經多次潛心思考，最終發(fā)現(xiàn)并提出了一種參數(shù)遍歷的方法，有效的解決了這一問題，并就此發(fā)表了一篇學術文章。

作為天津大學和英國布里斯托大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生，2005年王卓然到達英國，開始他異鄉(xiāng)的求學經歷，而面臨的處境是如果在英國聯(lián)培1年期間沒有優(yōu)異的學術成果就只能回國，因此是否可以留在英國取決于這一年的科研表現(xiàn)。面對生活與學業(yè)的雙重壓力王卓然沒有被嚇退、被壓垮，反而更加激起了強烈的斗志。

在1年多的時間里，他表現(xiàn)出很強的科研能力及團隊協(xié)作能力，先后以第一作者身份發(fā)表了5篇SCI文章，以聯(lián)合作者身份發(fā)表了3篇SCI文章，并發(fā)表了多篇國際會議文章，最終實現(xiàn)了以博士后身份留在英國的目標。2006開始他被英國布里斯托大學聘為副研究員，參加了兩項歐盟項目的研究工作。憑借超群的科研實力，他在光通信與光網絡技術方面和集成光子器件方面取得了一系列成就，發(fā)表了50余篇高水平學術文章。

然而，對故鄉(xiāng)強烈的眷念讓他選擇了回國，“國內比國外有更廣闊的發(fā)展空間和遠景，而且國家十分重視產業(yè)升級與科學技術，能更容易做出一番事業(yè)，另外，在國內會有歸屬感與認同感。雖然在電子科大的待遇比英國低了很多，可是基于上述原因，我還是選擇了回國，我希望可以在自己的祖國開始我的事業(yè)”。

2009年，作為海外杰出人才王卓然被電子科技大學聘為教授后晉升為博導，在微納米光子學、光通信及生物光子傳感等領域的開展研究。

善于發(fā)現(xiàn)，善于探索創(chuàng)新

如果沒有達爾文的不倦探索就沒有生物進化論，如果沒有哥倫布的冒險探索就沒有美洲新大陸，作為科學工作者，“嘗試探索和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新”永遠是他們學術生命的力量。在英國布里斯托大學做副研究員時，王卓然參與了歐盟的多個重大課題研究，其中一項是以圍繞微環(huán)激光器為核心的研究與應用，對于只有電子工程與光纖通信技術背景的王卓然來說，光器件物理方面的知識幾乎是一片空白，如何迅速轉變研究對象并進入角色是擺在他面前的一大難題，為盡快進入IOLOS歐盟項目，不服輸?shù)乃商炫菰趫D書館、實驗室和超凈間中，熟悉了解制作光器件的流程、測試儀器以及模擬仿真軟件、光器件物理，經過不懈的努力，他用不到一年的時間掌握了光電子器件基礎理論、制作技術與大規(guī)模單片集成技術，并對光電子器件及集成過程中的加工與關鍵技術難點有所突破。另外，在另一項英國政府EPSRC項目中參與設計制作基于垂直耦合波導的4×4光開關矩陣時，他發(fā)現(xiàn)電流會改變垂直耦合波導的光耦合，如果能充分利用光波導的消逝波實現(xiàn)光開關的兩層波導均有等量的光傳輸，這樣下層波導可以將一半的光信號帶到下一個光開關，使一對一單點通信變成一對多的多點通信，這樣就可像廣播一樣實現(xiàn)1到多的光組播技術，有效提高光器件與網絡的利用率，據(jù)此思路，他設計制作了外圍超大規(guī)模集成控制電路，實現(xiàn)了基于該4×4光開關矩陣的4×4×4(輸入×輸出×波長)滿負荷WDM無損組播技術。

王卓然不僅善于發(fā)現(xiàn)，而且更愿意去探索創(chuàng)新，在主持研制結構獨特的平面角反射器矩形微環(huán)激光器時，他發(fā)現(xiàn)通過外部光注入可以容易地設置器件工作狀態(tài)，實現(xiàn)波長雙穩(wěn)態(tài)，具有極大的應用價值，其重要性甚至可類比于電子線路中的三極管，“光通常是用1、0來代表光功率的有、無信號，是否可以用光波長和光功率一起組成多維多進制信號？如果可以就能利用光波長有效實現(xiàn)多進制光信號存儲”，最終他實現(xiàn)了利用外部光注入有效選擇環(huán)形激光器的工作波長狀態(tài)的目的，首次演示了全光四進制光信息存儲，這項技術有望將多個光子器件功能單元簡化集成到一個小小的光子芯片單元中，具有廣闊的應用前景，之后經過長時間針對性的研究并進一步優(yōu)化器件結構，成功地使改良的矩形微環(huán)器件實現(xiàn)了無插損的10Gbps高速全光交換與邏輯開關功能，成為目前已知的能工作在實際系統(tǒng)應用中的響應速度最快的半導體微環(huán)激光器。

勇于探索和發(fā)現(xiàn)已成為王卓然的行為習慣和思維態(tài)勢，就連回國選擇都體現(xiàn)了他的風格，他說，“選擇回國時我沒有選擇呆了10年的母校天津大學是因為太想去嘗試一個新的陌生環(huán)境了”。剛到電子科技大學時王卓然也遇到了困難，在沒有團隊的情況下他一邊繼續(xù)研究一邊積極組建團隊，他希望通過團隊合作培養(yǎng)具有自學能力和協(xié)作能力的人才。目前已有20多人參與到這個團隊，在研國家及省部級項目6項，參與自然科學基金重大項目一項。發(fā)表了多篇高水平SCI文章，并獲得了包括太陽能照明、高功率激光器、混沌激光器、太赫茲發(fā)生器等在內的9項國家發(fā)明專利，并于2012年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃。

探索只有基于實踐，創(chuàng)新才能有意義。2013年，王卓然作為訪問學者到美國加州理工學院求教于在國際上享有崇高聲望的著名光電子學大家Amnon Yariv教授，從事基于微納光學諧振腔的生物傳感技術研究，一年的學習讓他掌握了微納光學諧振腔器件的設計制作工藝和實際應用關鍵技術，為實現(xiàn)光機電一體化、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經濟性做好了充分準備。

隨著國家經濟的飛速發(fā)展，王卓然敏銳地感覺到資源與環(huán)境問題是社會熱點，開展硅基微納傳感器與可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）成為他的研究重點，“可調諧半導體激光吸收光譜技術，是一種基于半導體激光器的吸收光譜技術，其原理是掃描半導體激光器輸出波長并穿過待測氣體，在待測氣體的吸收峰處會使激光強度產生衰減，激光強度的衰減程度與被測氣體濃度成正比，通過測量激光強度衰減信息可分析獲得被測氣體的濃度”王卓然介紹到，“這項技術能快速實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，是礦井、工業(yè)過程及大氣污染在線監(jiān)測的理想方法”，他希望在未來能進一步開拓微環(huán)激光器、硅基微納傳感器與TDLAS技術的多種應用，實現(xiàn)產、學、研一體化，滿足國家與社會的重大發(fā)展需求，提高國民經濟水平與人民生活質量。

王卓然教授和他的學生們