在理工融合中探索成功——记南京大学现代工程与应用科学学院教授江伟

本刊记者 肖贞林

在理工融合中探索成功
——记南京大学现代工程与应用科学学院教授江伟

本刊记者 肖贞林

专家简介：

江伟，1996年于南京大学强化部物理专业获学士学位。2000年于美国德克萨斯大学奥斯汀分校获物理硕士学位，2005年于德克萨斯大学奥斯汀分校获电子和计算机工程博士学位。2001年任美国瑞达光子研发工程师。2003年9月至2007年8月任美国欧米加光学高级工程师，研究员，高级研究员等职。2007年9月至2013年6月任美国罗得格斯(新泽西州立)大学电子和计算机工程系助理教授，2013年7月获聘副教授，获终身教职。2014年起在南京大学工作，任现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。

大数据时代，手机、计算机等电子设备在生活中的广泛运用所产生的海量数据使数据中心的光互联技术需求有了爆发式的增长。与此同时，在信息技术的另一方面，基于铜互连的超大规模集成电路和芯片处理器日趋临近极限。人们渴望有大容量、高带宽、低成本、小型化、能支持海量数据交换流通、支撑下一代集成电路和高性能计算机的光互联技术出现，这促成了硅基光子学的产生。电光调制器是硅基光子学的关键技术之一，研发如何利用光的巨大带宽和速度与硅微电子技术结合起来的器件成为当代科学人的重要研究课题，作为其中一员的江伟运用硅基光子学原理在光子器件与物理，微系统集成等方面展开了研究，2007年他主持的项目做出了首个硅基光子晶体高速电光调制器，为当时正在形成中的新领域——硅基光子学贡献出了绵薄之力。如今，我们期待硅基光子学在光互联、光通讯、光信号处理、光计算、光传感与生物医学成像等方面引起革命性的技术突破。

兴趣引导初识物理世界

“我们那个年代是听着物理学家的故事长大的”江伟不无感慨地说。童年时代的成长经历培养了江伟对物理的深厚兴趣，特别是理论物理。1992年他考入南京大学基础学科教学强化部，即现在的匡亚明学院。那时的南京大学正倡导“大理科”的教学模式，学校汇集了一批优秀的物理和相关学科的教师，这为徜徉在物理学海洋中的江伟打下扎实的数理基础提供了良好的条件。期间，江伟对科学哲学也产生了兴趣，并开始涉猎人文与社会科学学科，通过各类选修课学习和课外阅读开阔了眼界。值得一提的是他在研读Max Born等科学家对科学技术与社会发展关系的著述中得到了很大的启发。在几位授课老师和一些科学报告的启发下，他开始思考物理理论与实验结合的学习途径，后来本科期间他师从王业宁院士与朱劲松教授进行实验研究，希望能为在研究生阶段深入研究物理理论打下实验基础。

本科毕业时，江伟以优异的成绩被保送南京大学物理系读研，进入理学院院长龚昌德教授的理论研究组。光子晶体研究的兴起使龚老师期望学生能在这个领域有所开拓，在他的引导下江伟选择了无序光子晶体中基础理论研究，后来在Physical Review B发表了论文 。“从基础研究方面看这个研究很有趣，但随着研究的深入，我意识到基础研究不但要扩展人类知识，还要使知识转化为应用才有价值。”这为江伟将来转向与器件结合的基础研究打下了思想基础。

探索基础物理与实际运用

“研究不仅仅是一篇论文，也应考虑它可能产生的客观价值”，江伟开始思考怎样把基础物理学中的原理学以致用。“物理是探索原理，工程才能把物理原理与应用结合起来”。为更好地将物理基础理论运用到工程应用中，学习国际前沿技术，1998年江伟赴美读研，就读于德克萨斯大学奥斯汀分校。期间，他接触到如美国工程院院士John B. Goodenough和Joe C. Campbell等一些物理出身的工程名家。受他们的影响，江伟明确了“光子晶体要真正得到发展，就必须把研究项目和器件等工程应用结合在一起”，于是他开始关注文献中将光子晶体的基础研究与光通讯结合形成有用器件的研究方向。2000年，在获得美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理硕士学位后，他决定进入该校电子和计算机工程系，致力于光子器件的博士阶段研究。同时从2001年至2007年，江伟先后在瑞达光子、欧米加光学两个科技创业公司作研究与应用工作。在这期间，他完成了常规光纤通讯部件的实验研究、光子晶体器件与物理的理论研究、光子晶体器件与硅基光通讯器件的实验研究等多个课题。特别是从2003年起，他在博士导师 Ray Chen 所创立的科技创业公司——欧米加光学独立开展研究，开始了真正意义上的物理研究与实际应用的结合，在硅片上做出了第一个光子晶体高速电光调制器，并将驱动电压首次降低到通用硅基电子芯片可提供的范围。这项工作被Nature Photonics、EE Times、Laser Focus World等几十家媒体广泛报道。在这期间，他还发展、完善了几个具有重要应用价值的物理理论，包括多维光子晶体表面问题的一般解，超棱镜效应敏感度的解析理论。2005年，江伟取得了博士学位，获得了以工程学院院长命名的面向电子、光子材料与器件相关领域理工研究生的Ben Streetman奖。

在美国罗得格斯(新泽西州立)大学任教期间他继续对硅基热光器件、硅基光子晶体慢光效应等方面开展基础研究，实验得到了光子晶体慢光波导中高纯度的奇对称模式，发展了奇偶模式转换器件。他还与附近的贝尔实验室以及布鲁克海文国家实验室开展合作，确定了硅基正交幅度调制器、空间光调制器、对称性变换硅基光子器件、纳米光学成像与光刻等新发展方向。2008年，江伟参与了一个由美国联邦支持的硅基光子学大型跨学科合作项目，并负责其中一个子课题。2012年，江伟因硅基光子学方面的研究获得了美国国防先进研究计划局的青年教授奖。

“如果一个研究方向仅是在学术上提供研究，那其活力通常10年就散失了，其研究兴趣结果也会慢慢消退。要使一个研究方向常盛不衰就必须要服务社会，形成一个强大的产业链来支撑其发展，比如电子器件、电子电路研究了几十年后都不衰的原因就是其外围有大量的信息产业和硬件产业需求作支撑。”多年的探索，江伟认为硅基光子学要经研究到实践最终走向社会形成产业才能有广阔的前景和平台。他希望中国的基础物理研究的相关领域要瞄准一些可产业化的方向发展，让研究成果能为社会所用，为企业创造价值，才能使学院研究有价值。

在困境中坚持就会成功

在江伟的研究探索中，让他最难忘、最有成就感的经历是他在博士导师Ray Chen所创立的科技创业公司——欧米加光学独立开展研究。2001年起，美国经济开始下行，其后续效应导致公司2003年开始研究经费严重不足，公司科研人员及总经理在内的员工大都纷纷离职，“当时硅基光子学研究刚起步”。2004年江伟向美国联邦研发资助机构申请了独立开展研究高速硅基光子晶体器件的项目，同年获批，该项目是美国设立的典型的小公司创新项目，经历3年分两个阶段。其中第一阶段历时9个月，尽管导师Ray Chen先后派给他两名学生，但是当时准备时间短，实验研究起步晚，3个人的团队还是略微单薄。“这时团队的协同合作就显得非常重要”江伟感慨地说，“我们决定从低速硅基光子晶体器件开始研究，刚开始前4个月进展缓慢，经总结后到了第5个月我们重新在设计上进行了调整，选择了从成功率较高的、最简单的工艺流程切入。”经过紧张实验，特别是最后2个月全团队夜以继日、全力实验、及时分析、逐个解决各类问题，最终使第一阶段的研究告以成功，并获得了第二阶段的研究经费。经过第二阶段1年多的实验研究，2007年做出了首个硅基光子晶体高速电光调制器，器件尺寸比常规电光调制器缩小一个数量级。同时也首次将硅基高速电光调制器的驱动电压降低到通用硅基电子芯片可提供的范围，为进一步发展硅基光电集成扫清了障碍，通过这个项目的研究为欧米加光学公司开辟了一个新方向，并为企业获得了第一项美国专利。

在江伟团队研究硅基光子晶体高速电光调制器的同时，美国Intel公司和另一所学校也在进行研发。为了让美国联邦研发资助机构明白该项目的重要性，江伟在申请中提请从低速和高速两个阶段研究。为阐明低速和高速电光调制器的不同，他带领研究团队首次用物理理论作了高速器件原理分析，对硅基电光器件机理和功耗做了开拓性的研究，提出了驱动电流强度和调制频率的标度关系与非理想二极管效应对驱动电压的影响，并应用这些原理解释了硅基高速电光调制器的低驱动电压的物理机制。进一步，江伟于2007年预测了常规10GHz硅基电光调制器的功耗约在50m W量级，并被IBM华生实验室很快验证，为定量研究硅基光互联的功耗提供了一个切入点。此后，硅基高速电光调制器功耗大小成为硅基光互联技术的一个重要指标，如何降低硅基高速电光调制器的功耗问题成为了研究热点。江伟团队所做的工作为当时正在形成的新领域--硅基光子学，尤其是其关键技术之一的硅基高速电光器件的发展做出了贡献。

江伟认为这段经历对他的影响很大，他说“在实验中简单往往比复杂更容易成功，其实人生也好、做事也好，面对纷繁复杂的环境，关键是在困难时如何选择，集中注意力，坚持努力做好一两件事，就会成功”。

获Streetman奖时与德克萨斯大学奥斯汀分校工学院院长、美国工程院院士Ben Streetman（中）及博士导师Ray Chen教授（左）共进午餐。

教书育人为祖国献策献力

“作为一名教师不仅要传承知识，更要有自己独立的思想和创造力”。2007年，江伟获聘美国罗得格斯(新泽西州立)大学电子和计算机工程系助理教授。他致力于电磁学和光电子方向的教学，注重提高学生的理解接受能力，引导学生把自己的能力和知识点通过创新表达出来。2013年他指导的本科生团队获得罗得格斯大学电子和计算机工程系本科毕业设计奖一等奖。同年，江伟又获聘罗得格斯大学副教授暨终身教职，并获电气与电子工程师协会一区杰出教学奖。

怀着对祖国和故土的深深眷恋，2014年，江伟在国家青年千人计划和江苏特聘教授计划的支持下回到南京大学，任现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。他遵循学院的办学方针，开设了一门专业课程，坚持讲课、作业、考试完全以英文完成，推动了学院国际化办学水平的提升。“优秀的科技人才是中国硅基光子技术发展的基础”，为帮助学生把握基础研究的应用前景，在实用器件研究过程中解决基础层面的一些物理问题，他结合在美国研究和教学的经验，引导学生从物理基础与光电子器件的融合、理论与实验的融合等问题上去寻找新的、独特的视角，投身于解决一些非大众热点的基础物理问题，创新或改良器件，他鼓励有能力的学生将来利用硅基光子技术去创业，为人类造福。

谈到中国的硅基光子技术发展状况时，江伟激动地说：“目前发达国家的硅基光子技术都以基础研究到应用研究最终实现产业化一条龙的方式大步迈进。中国虽然在这方面起步较迟，但现在与发达国家差距较小，追赶为时未晚”。高校在发展硅基光子学术研究的同时，要和实际结合，以市场为导向，与企业协同研发，使国内的硅基光子技术尽快从基础研发转化为产业化发展，形成“学、研、产”协同发展，最终实现科学研究为社会服务的目标。眼下，江伟希望能在南京大学为硅基光子学发展创建一个人才培养和前期研发的基地，通过这个基地为中国硅基光子产业的发展贡献一份力量。