本刊記者 王 輝

激光之旅
——記電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院教授王卓然

本刊記者 王 輝

上世紀(jì)70年代半導(dǎo)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(wǎng)和通信業(yè)得以飛速發(fā)展。半導(dǎo)體激光器具有波長(zhǎng)范圍寬，成本低、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、兼容性強(qiáng)等特性，是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，受到各國(guó)政府的高度重視。成就背后是無(wú)數(shù)科學(xué)工作者默默的努力和不斷創(chuàng)新。

作為少數(shù)具有多領(lǐng)域與學(xué)術(shù)交叉背景的復(fù)合型人才，王卓然教授在以半導(dǎo)體微環(huán)激光器為代表的光子器件及其應(yīng)用方面成績(jī)斐然。他在海外工作期間參與了英國(guó)工程與物理研究委員會(huì)EPSRC、歐盟第六框架計(jì)劃等重大課題，利用基于垂直耦合波導(dǎo)4×4電光開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)了4×4×4(輸入×輸出×波長(zhǎng))滿負(fù)荷WDM無(wú)損組播技術(shù)，居于國(guó)際領(lǐng)先水平；在集成光子器件方面，他成功制作出當(dāng)時(shí)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(jìn)制光信息存儲(chǔ)等應(yīng)用。

興趣使然的執(zhí)著追求

在太原長(zhǎng)大的王卓然屬于“學(xué)霸”類學(xué)生，因成績(jī)優(yōu)異，高考時(shí)被保送到天津大學(xué)，1995年他第一次接觸互聯(lián)網(wǎng)與電子郵件，好奇讓他對(duì)IT、網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)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(lái)選擇電子工程與光通信專業(yè)的潛在動(dòng)因。在天津大學(xué)的求學(xué)生涯中好奇與探索總是伴在他左右，記得在讀研究生的時(shí)候?yàn)榱私鉀Q依據(jù)激光器外部工作性能反推其內(nèi)部參數(shù)的問(wèn)題，他跑遍了天津大學(xué)數(shù)學(xué)系的各個(gè)課題組，請(qǐng)教不同的教授，甚至還去南開(kāi)大學(xué)數(shù)學(xué)系拜訪，他認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題與常見(jiàn)的參數(shù)擬合的問(wèn)題大相徑庭，該如何從大量的測(cè)量數(shù)據(jù)中擬合到有限的幾個(gè)參數(shù)？他查閱了大量資料和參考，經(jīng)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(wèn)題，并就此發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)文章。

作為天津大學(xué)和英國(guó)布里斯托大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生，2005年王卓然到達(dá)英國(guó)，開(kāi)始他異鄉(xiāng)的求學(xué)經(jīng)歷，而面臨的處境是如果在英國(guó)聯(lián)培1年期間沒(méi)有優(yōu)異的學(xué)術(shù)成果就只能回國(guó)，因此是否可以留在英國(guó)取決于這一年的科研表現(xiàn)。面對(duì)生活與學(xué)業(yè)的雙重壓力王卓然沒(méi)有被嚇退、被壓垮，反而更加激起了強(qiáng)烈的斗志。

在1年多的時(shí)間里，他表現(xiàn)出很強(qiáng)的科研能力及團(tuán)隊(duì)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(guó)際會(huì)議文章，最終實(shí)現(xiàn)了以博士后身份留在英國(guó)的目標(biāo)。2006開(kāi)始他被英國(guó)布里斯托大學(xué)聘為副研究員，參加了兩項(xiàng)歐盟項(xiàng)目的研究工作。憑借超群的科研實(shí)力，他在光通信與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(xué)術(shù)文章。

然而，對(duì)故鄉(xiāng)強(qiáng)烈的眷念讓他選擇了回國(guó)，“國(guó)內(nèi)比國(guó)外有更廣闊的發(fā)展空間和遠(yuǎn)景，而且國(guó)家十分重視產(chǎn)業(yè)升級(jí)與科學(xué)技術(shù)，能更容易做出一番事業(yè)，另外，在國(guó)內(nèi)會(huì)有歸屬感與認(rèn)同感。雖然在電子科大的待遇比英國(guó)低了很多，可是基于上述原因，我還是選擇了回國(guó)，我希望可以在自己的祖國(guó)開(kāi)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(xué)聘為教授后晉升為博導(dǎo)，在微納米光子學(xué)、光通信及生物光子傳感等領(lǐng)域的開(kāi)展研究。

善于發(fā)現(xiàn)，善于探索創(chuàng)新

如果沒(méi)有達(dá)爾文的不倦探索就沒(méi)有生物進(jìn)化論，如果沒(méi)有哥倫布的冒險(xiǎn)探索就沒(méi)有美洲新大陸，作為科學(xué)工作者，“嘗試探索和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新”永遠(yuǎn)是他們學(xué)術(shù)生命的力量。在英國(guó)布里斯托大學(xué)做副研究員時(shí)，王卓然參與了歐盟的多個(gè)重大課題研究，其中一項(xiàng)是以圍繞微環(huán)激光器為核心的研究與應(yīng)用，對(duì)于只有電子工程與光纖通信技術(shù)背景的王卓然來(lái)說(shuō)，光器件物理方面的知識(shí)幾乎是一片空白，如何迅速轉(zhuǎn)變研究對(duì)象并進(jìn)入角色是擺在他面前的一大難題，為盡快進(jìn)入IOLOS歐盟項(xiàng)目，不服輸?shù)乃商炫菰趫D書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室和超凈間中，熟悉了解制作光器件的流程、測(cè)試儀器以及模擬仿真軟件、光器件物理，經(jīng)過(guò)不懈的努力，他用不到一年的時(shí)間掌握了光電子器件基礎(chǔ)理論、制作技術(shù)與大規(guī)模單片集成技術(shù)，并對(duì)光電子器件及集成過(guò)程中的加工與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)有所突破。另外，在另一項(xiàng)英國(guó)政府EPSRC項(xiàng)目中參與設(shè)計(jì)制作基于垂直耦合波導(dǎo)的4×4光開(kāi)關(guān)矩陣時(shí)，他發(fā)現(xiàn)電流會(huì)改變垂直耦合波導(dǎo)的光耦合，如果能充分利用光波導(dǎo)的消逝波實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的兩層波導(dǎo)均有等量的光傳輸，這樣下層波導(dǎo)可以將一半的光信號(hào)帶到下一個(gè)光開(kāi)關(guān)，使一對(duì)一單點(diǎn)通信變成一對(duì)多的多點(diǎn)通信，這樣就可像廣播一樣實(shí)現(xiàn)1到多的光組播技術(shù)，有效提高光器件與網(wǎng)絡(luò)的利用率，據(jù)此思路，他設(shè)計(jì)制作了外圍超大規(guī)模集成控制電路，實(shí)現(xiàn)了基于該4×4光開(kāi)關(guān)矩陣的4×4×4(輸入×輸出×波長(zhǎng))滿負(fù)荷WDM無(wú)損組播技術(shù)。

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(jié)構(gòu)獨(dú)特的平面角反射器矩形微環(huán)激光器時(shí)，他發(fā)現(xiàn)通過(guò)外部光注入可以容易地設(shè)置器件工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)雙穩(wěn)態(tài)，具有極大的應(yīng)用價(jià)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(lái)代表光功率的有、無(wú)信號(hào)，是否可以用光波長(zhǎng)和光功率一起組成多維多進(jìn)制信號(hào)？如果可以就能利用光波長(zhǎng)有效實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制光信號(hào)存儲(chǔ)”，最終他實(shí)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(zhǎng)狀態(tài)的目的，首次演示了全光四進(jìn)制光信息存儲(chǔ)，這項(xiàng)技術(shù)有望將多個(gè)光子器件功能單元簡(jiǎn)化集成到一個(gè)小小的光子芯片單元中，具有廣闊的應(yīng)用前景，之后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間針對(duì)性的研究并進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，成功地使改良的矩形微環(huán)器件實(shí)現(xiàn)了無(wú)插損的10Gbps高速全光交換與邏輯開(kāi)關(guān)功能，成為目前已知的能工作在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中的響應(yīng)速度最快的半導(dǎo)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(xí)慣和思維態(tài)勢(shì)，就連回國(guó)選擇都體現(xiàn)了他的風(fēng)格，他說(shuō)，“選擇回國(guó)時(shí)我沒(méi)有選擇呆了10年的母校天津大學(xué)是因?yàn)樘肴L試一個(gè)新的陌生環(huán)境了”。剛到電子科技大學(xué)時(shí)王卓然也遇到了困難，在沒(méi)有團(tuán)隊(duì)的情況下他一邊繼續(xù)研究一邊積極組建團(tuán)隊(duì)，他希望通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作培養(yǎng)具有自學(xué)能力和協(xié)作能力的人才。目前已有20多人參與到這個(gè)團(tuán)隊(duì)，在研國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，參與自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目一項(xiàng)。發(fā)表了多篇高水平SCI文章，并獲得了包括太陽(yáng)能照明、高功率激光器、混沌激光器、太赫茲發(fā)生器等在內(nèi)的9項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，并于2012年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃。

探索只有基于實(shí)踐，創(chuàng)新才能有意義。2013年，王卓然作為訪問(wèn)學(xué)者到美國(guó)加州理工學(xué)院求教于在國(guó)際上享有崇高聲望的著名光電子學(xué)大家Amnon Yariv教授，從事基于微納光學(xué)諧振腔的生物傳感技術(shù)研究，一年的學(xué)習(xí)讓他掌握了微納光學(xué)諧振腔器件的設(shè)計(jì)制作工藝和實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性做好了充分準(zhǔn)備。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，王卓然敏銳地感覺(jué)到資源與環(huán)境問(wèn)題是社會(huì)熱點(diǎn)，開(kāi)展硅基微納傳感器與可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）成為他的研究重點(diǎn)，“可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，是一種基于半導(dǎo)體激光器的吸收光譜技術(shù)，其原理是掃描半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)并穿過(guò)待測(cè)氣體，在待測(cè)氣體的吸收峰處會(huì)使激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減程度與被測(cè)氣體濃度成正比，通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息可分析獲得被測(cè)氣體的濃度”王卓然介紹到，“這項(xiàng)技術(shù)能快速實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，是礦井、工業(yè)過(guò)程及大氣污染在線監(jiān)測(cè)的理想方法”，他希望在未來(lái)能進(jìn)一步開(kāi)拓微環(huán)激光器、硅基微納傳感器與TDLAS技術(shù)的多種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研一體化，滿足國(guó)家與社會(huì)的重大發(fā)展需求，提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平與人民生活質(zhì)量。

王卓然教授和他的學(xué)生們