在理工融合中探索成功
——記南京大學現代工程與應用科學學院教授江偉

本刊記者 肖貞林

在理工融合中探索成功
——記南京大學現代工程與應用科學學院教授江偉

本刊記者 肖貞林

專家簡介：

江偉，1996年于南京大學強化部物理專業獲學士學位。2000年于美國德克薩斯大學奧斯汀分校獲物理碩士學位，2005年于德克薩斯大學奧斯汀分校獲電子和計算機工程博士學位。2001年任美國瑞達光子研發工程師。2003年9月至2007年8月任美國歐米加光學高級工程師，研究員，高級研究員等職。2007年9月至2013年6月任美國羅得格斯(新澤西州立)大學電子和計算機工程系助理教授，2013年7月獲聘副教授，獲終身教職。2014年起在南京大學工作，任現代工程與應用科學學院教授，博士生導師。

大數據時代，手機、計算機等電子設備在生活中的廣泛運用所產生的海量數據使數據中心的光互聯技術需求有了爆發式的增長。與此同時，在信息技術的另一方面，基于銅互連的超大規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、能支持海量數據交換流通、支撐下一代集成電路和高性能計算機的光互聯技術出現，這促成了硅基光子學的產生。電光調制器是硅基光子學的關鍵技術之一，研發如何利用光的巨大帶寬和速度與硅微電子技術結合起來的器件成為當代科學人的重要研究課題，作為其中一員的江偉運用硅基光子學原理在光子器件與物理，微系統集成等方面展開了研究，2007年他主持的項目做出了首個硅基光子晶體高速電光調制器，為當時正在形成中的新領域——硅基光子學貢獻出了綿薄之力。如今，我們期待硅基光子學在光互聯、光通訊、光信號處理、光計算、光傳感與生物醫學成像等方面引起革命性的技術突破。

興趣引導初識物理世界

“我們那個年代是聽著物理學家的故事長大的”江偉不無感慨地說。童年時代的成長經歷培養了江偉對物理的深厚興趣，特別是理論物理。1992年他考入南京大學基礎學科教學強化部，即現在的匡亞明學院。那時的南京大學正倡導“大理科”的教學模式，學校匯集了一批優秀的物理和相關學科的教師，這為徜徉在物理學海洋中的江偉打下扎實的數理基礎提供了良好的條件。期間，江偉對科學哲學也產生了興趣，并開始涉獵人文與社會科學學科，通過各類選修課學習和課外閱讀開闊了眼界。值得一提的是他在研讀Max Born等科學家對科學技術與社會發展關系的著述中得到了很大的啟發。在幾位授課老師和一些科學報告的啟發下，他開始思考物理理論與實驗結合的學習途徑，后來本科期間他師從王業寧院士與朱勁松教授進行實驗研究，希望能為在研究生階段深入研究物理理論打下實驗基礎。

本科畢業時，江偉以優異的成績被保送南京大學物理系讀研，進入理學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生能在這個領域有所開拓，在他的引導下江偉選擇了無序光子晶體中基礎理論研究，后來在Physical Review B發表了論文 。“從基礎研究方面看這個研究很有趣，但隨著研究的深入，我意識到基礎研究不但要擴展人類知識，還要使知識轉化為應用才有價值。”這為江偉將來轉向與器件結合的基礎研究打下了思想基礎。

探索基礎物理與實際運用

“研究不僅僅是一篇論文，也應考慮它可能產生的客觀價值”，江偉開始思考怎樣把基礎物理學中的原理學以致用。“物理是探索原理，工程才能把物理原理與應用結合起來”。為更好地將物理基礎理論運用到工程應用中，學習國際前沿技術，1998年江偉赴美讀研，就讀于德克薩斯大學奧斯汀分校。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展，就必須把研究項目和器件等工程應用結合在一起”，于是他開始關注文獻中將光子晶體的基礎研究與光通訊結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奧斯汀分校物理碩士學位后，他決定進入該校電子和計算機工程系，致力于光子器件的博士階段研究。同時從2001年至2007年，江偉先后在瑞達光子、歐米加光學兩個科技創業公司作研究與應用工作。在這期間，他完成了常規光纖通訊部件的實驗研究、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驗研究等多個課題。特別是從2003年起，他在博士導師 Ray Chen 所創立的科技創業公司——歐米加光學獨立開展研究，開始了真正意義上的物理研究與實際應用的結合，在硅片上做出了第一個光子晶體高速電光調制器，并將驅動電壓首次降低到通用硅基電子芯片可提供的范圍。這項工作被Nature Photonics、EE Times、Laser Focus World等幾十家媒體廣泛報道。在這期間，他還發展、完善了幾個具有重要應用價值的物理理論，包括多維光子晶體表面問題的一般解，超棱鏡效應敏感度的解析理論。2005年，江偉取得了博士學位，獲得了以工程學院院長命名的面向電子、光子材料與器件相關領域理工研究生的Ben Streetman獎。

在美國羅得格斯(新澤西州立)大學任教期間他繼續對硅基熱光器件、硅基光子晶體慢光效應等方面開展基礎研究，實驗得到了光子晶體慢光波導中高純度的奇對稱模式，發展了奇偶模式轉換器件。他還與附近的貝爾實驗室以及布魯克海文國家實驗室開展合作，確定了硅基正交幅度調制器、空間光調制器、對稱性變換硅基光子器件、納米光學成像與光刻等新發展方向。2008年，江偉參與了一個由美國聯邦支持的硅基光子學大型跨學科合作項目，并負責其中一個子課題。2012年，江偉因硅基光子學方面的研究獲得了美國國防先進研究計劃局的青年教授獎。

“如果一個研究方向僅是在學術上提供研究，那其活力通常10年就散失了，其研究興趣結果也會慢慢消退。要使一個研究方向常盛不衰就必須要服務社會，形成一個強大的產業鏈來支撐其發展，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業和硬件產業需求作支撐。”多年的探索，江偉認為硅基光子學要經研究到實踐最終走向社會形成產業才能有廣闊的前景和平臺。他希望中國的基礎物理研究的相關領域要瞄準一些可產業化的方向發展，讓研究成果能為社會所用，為企業創造價值，才能使學院研究有價值。

在困境中堅持就會成功

在江偉的研究探索中，讓他最難忘、最有成就感的經歷是他在博士導師Ray Chen所創立的科技創業公司——歐米加光學獨立開展研究。2001年起，美國經濟開始下行，其后續效應導致公司2003年開始研究經費嚴重不足，公司科研人員及總經理在內的員工大都紛紛離職，“當時硅基光子學研究剛起步”。2004年江偉向美國聯邦研發資助機構申請了獨立開展研究高速硅基光子晶體器件的項目，同年獲批，該項目是美國設立的典型的小公司創新項目，經歷3年分兩個階段。其中第一階段歷時9個月，盡管導師Ray Chen先后派給他兩名學生，但是當時準備時間短，實驗研究起步晚，3個人的團隊還是略微單薄。“這時團隊的協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個月進展緩慢，經總結后到了第5個月我們重新在設計上進行了調整，選擇了從成功率較高的、最簡單的工藝流程切入。”經過緊張實驗，特別是最后2個月全團隊夜以繼日、全力實驗、及時分析、逐個解決各類問題，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費。經過第二階段1年多的實驗研究，2007年做出了首個硅基光子晶體高速電光調制器，器件尺寸比常規電光調制器縮小一個數量級。同時也首次將硅基高速電光調制器的驅動電壓降低到通用硅基電子芯片可提供的范圍，為進一步發展硅基光電集成掃清了障礙，通過這個項目的研究為歐米加光學公司開辟了一個新方向，并為企業獲得了第一項美國專利。

在江偉團隊研究硅基光子晶體高速電光調制器的同時，美國Intel公司和另一所學校也在進行研發。為了讓美國聯邦研發資助機構明白該項目的重要性，江偉在申請中提請從低速和高速兩個階段研究。為闡明低速和高速電光調制器的不同，他帶領研究團隊首次用物理理論作了高速器件原理分析，對硅基電光器件機理和功耗做了開拓性的研究，提出了驅動電流強度和調制頻率的標度關系與非理想二極管效應對驅動電壓的影響，并應用這些原理解釋了硅基高速電光調制器的低驅動電壓的物理機制。進一步，江偉于2007年預測了常規10GHz硅基電光調制器的功耗約在50m W量級，并被IBM華生實驗室很快驗證，為定量研究硅基光互聯的功耗提供了一個切入點。此后，硅基高速電光調制器功耗大小成為硅基光互聯技術的一個重要指標，如何降低硅基高速電光調制器的功耗問題成為了研究熱點。江偉團隊所做的工作為當時正在形成的新領域--硅基光子學，尤其是其關鍵技術之一的硅基高速電光器件的發展做出了貢獻。

江偉認為這段經歷對他的影響很大，他說“在實驗中簡單往往比復雜更容易成功，其實人生也好、做事也好，面對紛繁復雜的環境，關鍵是在困難時如何選擇，集中注意力，堅持努力做好一兩件事，就會成功”。

獲Streetman獎時與德克薩斯大學奧斯汀分校工學院院長、美國工程院院士Ben Streetman（中）及博士導師Ray Chen教授（左）共進午餐。

教書育人為祖國獻策獻力

“作為一名教師不僅要傳承知識，更要有自己獨立的思想和創造力”。2007年，江偉獲聘美國羅得格斯(新澤西州立)大學電子和計算機工程系助理教授。他致力于電磁學和光電子方向的教學，注重提高學生的理解接受能力，引導學生把自己的能力和知識點通過創新表達出來。2013年他指導的本科生團隊獲得羅得格斯大學電子和計算機工程系本科畢業設計獎一等獎。同年，江偉又獲聘羅得格斯大學副教授暨終身教職，并獲電氣與電子工程師協會一區杰出教學獎。

懷著對祖國和故土的深深眷戀，2014年，江偉在國家青年千人計劃和江蘇特聘教授計劃的支持下回到南京大學，任現代工程與應用科學學院教授，博士生導師。他遵循學院的辦學方針，開設了一門專業課程，堅持講課、作業、考試完全以英文完成，推動了學院國際化辦學水平的提升。“優秀的科技人才是中國硅基光子技術發展的基礎”，為幫助學生把握基礎研究的應用前景，在實用器件研究過程中解決基礎層面的一些物理問題，他結合在美國研究和教學的經驗，引導學生從物理基礎與光電子器件的融合、理論與實驗的融合等問題上去尋找新的、獨特的視角，投身于解決一些非大眾熱點的基礎物理問題，創新或改良器件，他鼓勵有能力的學生將來利用硅基光子技術去創業，為人類造福。

談到中國的硅基光子技術發展狀況時，江偉激動地說：“目前發達國家的硅基光子技術都以基礎研究到應用研究最終實現產業化一條龍的方式大步邁進。中國雖然在這方面起步較遲，但現在與發達國家差距較小，追趕為時未晚”。高校在發展硅基光子學術研究的同時，要和實際結合，以市場為導向，與企業協同研發，使國內的硅基光子技術盡快從基礎研發轉化為產業化發展，形成“學、研、產”協同發展，最終實現科學研究為社會服務的目標。眼下，江偉希望能在南京大學為硅基光子學發展創建一個人才培養和前期研發的基地，通過這個基地為中國硅基光子產業的發展貢獻一份力量。