“操縱”光子 改變未來
——記北京大學信息科學技術學院區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副教授彭超

汲曉奇

彭超

人類通過操縱電子發展了大規模集成電路、高性能芯片及通信系統，在摩爾定律下，微電子芯片已成為了人類現代科技的基石。如今，人類正在通過“操縱光子”邁向高密度光子集成，“光子芯片”或將成為下一次科技革命的突破口，成為體現國家科技實力的核心技術。

北京大學電子學系信息與通信研究所、“區域光纖通信網與新型光通信系統”國家重點實驗室副教授彭超經過十多年的研究，突破了一系列面向光子集成領域需求的關鍵科學問題。他以非厄米光子學和拓撲光子學為研究方法，探索高密度、高性能光子集成器件與技術，為突破片上集成關鍵技術瓶頸、推動光子芯片發展做出了一系列前沿性貢獻。

光子操縱的終極目的是把光子技術應用到生活生產實際中。彭超說，他希望自己研究的理論能變成實際運行器件的核心原理或設計方法的一部分，這是他從事光子學研究的最初愿望。

他說：“如果說做物理是一種信仰，我喜歡做物理；但是我需要讓它能做出來有用的成果，將它們應用到我們的生產生活中。”

博采眾長從物理尖子到科研“工匠”

高中時代的彭超就是物理尖子，盡管偏科嚴重，但在物理競賽中屢獲大獎，讓他成功被保送北大的“中華第一系”——物理系。

本科階段，彭超就已經有了許多研究經歷，跟著北大現代光學所的老師和學長從事超快光學等方面的研究。至今讓他印象深刻的是，他和師兄在“小黑屋”里做紅外光學實驗，從早上九點到晚上九點一直拉著窗簾。盡管做的是光學實驗，但有時候坐上一整天，也看不到光。

回憶當年，彭超感慨說，那時候的自己并不完全理解純光學物理在實際中的意義，那時候的他更想做點“實用”的東西。確定大四保研后，彭超轉到電子學系從事光通信器件研究。一項完整研究需要“光機電算一體化”，這不光是要理解原理和完成測量，更需要從頭到尾的完整工程訓練，當時的他“如愿以償”地做了許多硬件和軟件工作。經歷了一兩年的偏工程研究后，彭超又開始回頭做理論研究，他的博士論文，也最終選擇了比較學術的“非互易光學”作為研究題目。

博士畢業之后的彭超，迎來了自己在學術上的迷茫期，在還未找到清晰的未來方向時，他應聘到愛立信公司，成為了一名無線通信系統工程師，主要負責3G基站硬件，當時電路主板上有五千多個元器件，設計完成后還要去跟工廠打交道，組織技術驗證，部署測試。一年后，盡管工作非常不錯，但彭超卻感覺自己離科學家的夢想越來越遠。為了“搶救”自己的夢想，他毅然辭去了這份還算不錯的工作，申請了去日本京都大學，師從Susumu Noda教授從事博士后研究。

Susumu Noda是光子晶體領域最領先的研究者之一，他帶領課題組幾十年如一日，嚴謹地在光子晶體領域進行精細化研究，從學術研究一直到產品研發。正是這樣一種嚴謹的科研方式，讓彭超在京都大學的兩年時間，開始真正地融合自己的知識背景和技能，“特別是他那里有很多的半導體微加工設備、工藝，當時在國內還沒有這樣好的條件”。

憑借自己良好的物理背景和數理基礎，彭超很快融入了課題組，并從中學習到了許多先進工藝和設計。彭超說，那幾年里，他所做的研究真正跟實際聯系起來了。直到他離開日本多年后，導師當年進行的研究才獲得了巨大成功，這讓彭超更加清楚地認識到，做科研是一個漫長的過程。但中間每一步細致的研究，都在將設想一步步變成現實。這種厚積薄發最終獲得成功的感覺，讓他覺得非常振奮。

如果說，在日本感受到的是用“專注”做科研，一個項目可以“死磕”十幾二十年，那么2017年，彭超去美國麻省理工學院感受到的則是另一種美式科研文化，即極度追求創新而不在細節上糾纏。“美國科學家可以不斷地追求全新的東西，拋開很重的工程性步驟，要轉向全新方向也非常快，具有很強的創造力。在追尋一種全新領域的時候，每鏟子下去都是金子。”彭超說，在美國和日本他感受到的是兩種完全不同的工作方式，而回國后，他和如今團隊的風格更偏向于一種“中庸之道”，形成了自己的風格和范式。

在日本的幾年博士后研究中，彭超把自己的知識結構和工藝技能重新進行了規整，回到北大之后，他又重新組織了自己的研究方向和學術上的規劃。他拾起了原來在做的課題——光纖陀螺儀。這一研究一度最大的問題是他只攻克了原理，而沒有形成實物，無法令人信服。花了兩年時間，他終于把雙偏振光纖陀螺儀工程化，做出了真正的實物原型。

在彭超看來，從一個紙面上的理論變成實物，甚至從實物變成產品甚至商品，這是一個很漫長的過程。但只有從最基本的物理原理出發，關注這個原理能否抽取出來，作為未來的某個改善人們生活或者信息科技的核心部分，帶著這種“敏感性”去做，才存在將其變成有用的東西的可能性。

彭超認為，現代光電子技術，并非僅是版圖、電路和代碼，而是應該去發現新的材料體系、新的物理規律，叩問有沒有可能在一個全新系統中構造新的可能性。“既然是這樣，我們能夠發現什么？新材料體系，有沒有可能去做一些全新的事情？我們是做光的，我們希望去操作光子在一個體系中產生可利用的行為。但是光其實是一個很頑固的東西，改變光比改變電要難多了，它很快就逃掉了。所以需要更多的方法和手段去控制它，所以我們研究的關鍵點就是能不能操縱光子，最終我選擇了光子晶體作為主要的研究方向之一。”

操縱光子為拓撲光子學開拓新方向

光子學是關于光的科學和技術，特別是光的產生、傳導、操控、增強及探測。光子技術被廣泛應用于通信系統、新型照明、高性能計算、生物醫療、加工制造、潔凈能源、海洋勘探、軍事科學等諸多方面，是體現國家科技實力的核心技術之一。圍繞著“光的操縱”進行研究，研究的終極目的是把光子用到生活生產中的器件上面。

與碩士畢業生合影

彭超說，人類的科技是建立在相對微觀的、即對微觀粒子的操控程度上，而迄今以來人類操縱最完美的粒子就是電子，這幾乎已經成為信息通信的基石，對電子的操縱最終形成了大規模的電路、芯片及通信系統等。

如今，人類正在圍繞光子進行研究，遺憾的是，除了激光器和光纖通信里用光距傳遞信息外，光子的應用仍極少。“我們的目標就是把光子研究的成熟度和它在信息系統中的應用達到與電子相當的水平，所以我們就要操縱光，包括它的產生、發射，到讓它產生變化，進行傳輸，甚至是接收探測等。”

彭超首先關注的在微小尺度實現光束縛的可能性，即高品質因子的光學腔體。它的光譜線非常干凈純粹，不僅可以用在傳感領域，還可以用于光子集成領域。例如，未來的高質量激光器就可以集成在一個小小的芯片里面，這已成為光電子領域的一個大趨勢。彭超與課題組分析了光子晶體體系中的光子耦合過程，深入研究了一種不同于傳統光學諧振模式的特殊諧振態。這類特殊諧振態可在允許光子逃逸下實現光束縛，因此被稱為連續區束縛態。彭超課題組發現，這種奇妙的束縛態可以用帶權重的干涉相消效應解釋，相關工作發表在《物理評論快報》上。

彭超課題組進一步注意到連續區束縛態與拓撲光子學的聯系。拓撲學研究連續演變下的不變特性。2016年，諾貝爾物理學獎被授予“物質的拓撲相變和拓撲相”相關工作，肯定了拓撲性質對于理解微觀奇異世界的重要作用。將拓撲方法應用于光子學領域研究，成為理解光子獨特規律的有效手段。2018年，彭超與麻省理工學院Marin Soljacic教授、賓夕法尼亞大學Bo Zhen助理教授合作，對非厄米光子晶體的拓撲性質展開了直接實驗研究，成功觀測到非閉合的費米弧和半整數拓撲荷現象。非厄米體系具有損耗，同時也帶來了獨特的拓撲性質。這一工作以“成對輻射奇異點體系中體費米弧和偏振態半核的觀測”為題在《科學》發表，彭超為共同第一作者。賓州州立大學物理學系Mikael Rechtsman助理教授對這項工作給出有趣的評價：“系統損耗往往被認為是一種阻礙，而這里卻成為獲取系統拓撲性質的有效途徑。”

彭超在前期半整數拓撲荷觀測結果基礎上，進一步注意到了連續區束縛態的拓撲本質。連續區束縛態本質上是動量空間的偏振渦旋，也就是整數拓撲荷。他原創性地提出將多個整數拓撲荷漸進合并，進而改變了光子晶體輻射在隨機工藝誤差下的漸進行為，理論提出并實驗觀測了一類隨機散射下被拓撲保護的、魯棒的超高品質因子的諧振態，實測品質因子達到破紀錄的49.5萬。2019年10月，相關工作以在“拓撲保護下散射魯棒的超高品質因子導模共振態”為題發表在《自然》上，彭超為唯一通訊作者。澳大利亞國立大學Yuri Kivshar教授在《自然》同期發表評述文章，評述該工作在微腔光子學、非線性光學、低功耗激光器等領域具有重要前景，被稱為光束縛領域的“重大進展”（Light trapping get a boost）。

彭超進一步探尋操控拓撲荷演變實現新型光子器件的可能性。高密度、高帶寬、大容量的全光互聯技術潛力巨大，但鏈路傳輸能力受制于損耗。因此，實現光的定向輻射是降低損耗，提升光子集成規模的一項關鍵技術。為此，彭超課題組和合作者從拓撲視角出發提出了一種單向輻射的特殊諧振態。他們調控一維光子晶體，將一側表面的成對半整數拓撲荷重新合并成整數拓撲荷，這樣就形成僅向一個表面輻射能量的“單向輻射導模共振態”，實測非對稱輻射比高達27.7dB，較傳統光柵設計提高了2個數量級。相關工作以“拓撲保護的單向導模共振態觀測”為題，于2020年4月22日在《自然》上在線發表，彭超為唯一通訊作者。

放眼未來高密度“光子芯片”成突破口

彭超經過十多年的研究，證明了非厄米光子學蘊含了奇異點與費米弧、光連續區束縛態、光子晶體面發射激光器、高對比光柵等若干新機理、新器件背后的共性原理。同時，面向光子集成領域需求和關鍵科學問題，他以拓撲光子學為研究方法，一步步探索著高密度、高性能片上的集成器件與技術。

在彭超看來，光子學具有與微電子學相似的發展路徑，即從分立器件向集成系統演進，從單一功能器件向復雜片上系統演進。

近50年來，電路集成度每18個月翻一番（摩爾定律），芯片功能得到幾何級數的增強，高集成度、高性能微電子芯片成為了現代科技的基石。可以預見的是，高密度光子集成也會帶來同樣的變革性效果。

一旦形成高度集成的光子片上系統，即構造出“光子芯片”，其在功能、功耗、成本、封裝難度、可靠性、規模化等方面將具有巨大優勢。光子芯片速度快、功耗低、操控維度豐富的特長若與微電子芯片計算邏輯能力強、體系成熟的優勢相結合，就能發展出高密度光電混合集成技術，這將有望成為下一次科技革命的突破口。

如今，圍繞突破片上集成關鍵技術瓶頸、推動光子芯片發展的問題，彭超正在依托前期研究經驗及所在國家重點實驗室設備條件，運用拓撲光子學方法研究非厄米光子體系的一般規律，探索并實現面向片上集成的新型光子器件。

從一名“物理尖子”成長為一個“科研工匠”，從實驗室里曾不知為何到如今引領探索國際前沿難題，彭超說，自己走過彎路，也嘗試過許多別的東西，甚至面臨過IT、互聯網等熱門行業領域的誘惑，但他最終回到了北京大學，堅定地走自己的學術道路。他說，這就是他熱愛的、有意義的工作。彭超認為，不能以功利的方式做科研，科研不只是一門“討飯”的行當。科研必須耐得住寂寞，必須做實事，與國家的利益結合起來。

作為年輕的團隊負責人，彭超在帶領團隊進行科研時，總希望以一種更積極的方式盡可能地讓他的研究生和團隊成員都得到足夠的訓練。“我們的學生，他來的時候只有滿腔的熱情，如果沒有一個明確的方向和引導，當熱情沒了，他就會離開這個領域，甚至會建立一種無法在科研中取得成果的消極觀念。”

他認為，必須給團隊成員和學生足夠的自由度，但在真正出現問題的時候要一起去參與解決，一起成長，而不是高高在上。面對層出不窮的科研困難，甚至99.5%乃至于99.9%的科研最后都證明是不可能實際使用的，他的想法是“那又怎么樣？你至少證明了某條路是錯的”。“你可以做不出來，甚至做不好，但是一定要以靠譜的方式去做，得出來的就是一個靠譜的結論，行就是行，不行就是不行，是客觀存在的事實。”彭超說，這是他科研的原則。