2023年1月13日，網(wǎng)易新聞揭曉“2022中國十大科技創(chuàng)新獎”，旨在表彰2022年度中國振奮人心的科研創(chuàng)新成果，大力弘揚科學(xué)精神。其中北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授團隊的成果“新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)攻克硅光難題”名列其中。
王興軍近照
“小芯片、大乾坤，能夠在專業(yè)領(lǐng)域為社會作一點點創(chuàng)新性的貢獻并得到認(rèn)可，是很榮幸的?！钡弥@獎消息后的王興軍在朋友圈里這樣寫道。他的團隊攻克了怎樣的“硅光難題”？未來光電芯片的大趨勢如何？如何將教學(xué)育人融入科研之中以實現(xiàn)教育的真正價值？帶著這些問題，融媒體中心對王興軍進行專訪，聽他講述攻關(guān)硅基光電子學(xué)的心路歷程。
小“身材”大集成
習(xí)近平總書記指出，光電子信息產(chǎn)業(yè)是廣泛應(yīng)用的戰(zhàn)略高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也是我國有條件率先實現(xiàn)突破的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。光電子在國家戰(zhàn)略發(fā)展層面上占有重要地位，王興軍的團隊就是圍繞光電子集成芯片與信息系統(tǒng)領(lǐng)域攻堅克難的。
王興軍告訴記者，近20年來，硅基光電子集成芯片技術(shù)（硅光）借助成熟的CMOS工藝，已經(jīng)實現(xiàn)了可以大規(guī)模集成傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所需的功能器件，極大地提升片上信息傳輸和處理的速度和容量，是世界光電子領(lǐng)域競爭的主陣地。隨著數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)、高性能計算、自動駕駛等應(yīng)用市場的拓展和系統(tǒng)規(guī)模的大幅度提升，硅光芯片的系統(tǒng)架構(gòu)正向多通道和高并行的架構(gòu)演進，這就產(chǎn)生了對低成本、高穩(wěn)定性的并行光源的需求?！拔覀兌贾?，硅材料本身是不發(fā)光的，所以硅基激光器的實現(xiàn)一直是世界性的難題，如何在硅基光電子集成芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源是這個領(lǐng)域的最大瓶頸之一，也是我們團隊近些年來重點突破的問題?！蓖跖d軍說道。
光梳又叫光學(xué)頻率梳，因其用途廣泛，一直以來都是國際光學(xué)界的重要研究熱點?！懊绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)與技木研究院John Lewis Hall教授和德國馬普量子光學(xué)所的Theodor H?nsch教授因為在光梳方面作出的杰出貢獻，拿過2005年諾貝爾物理學(xué)獎。”王興軍介紹說，近年來，芯片級的光梳（微腔光梳）由于緊湊的尺寸和低廉的成本極大拓展了其應(yīng)用范圍，但大部分基于微腔光梳的系統(tǒng)級應(yīng)用中，僅有微腔本身為集成器件，其余的組成部分均未實現(xiàn)集成。
經(jīng)過三年多的刻苦攻關(guān)，王興軍團隊和合作者采用硅基多材料體系異質(zhì)集成方案，實現(xiàn)目前國際上最低閾值功率的片上光學(xué)頻率梳光源，并系統(tǒng)性地突破了其集成光源泵浦、啟鑰式開關(guān)、長時間自反饋穩(wěn)定等一系列的關(guān)鍵技術(shù)，給硅基光電子集成芯片提供了所需的“光源大腦”。2022年5月18日，王興軍團隊與合作者在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表文章，結(jié)合硅基光電子集成技術(shù)工業(yè)上成熟可靠的集成解決方案，完成大規(guī)模集成系統(tǒng)的高效并行化，這也是在國際上首次演示了由微腔光梳驅(qū)動的硅基光電子集成系統(tǒng)。
該文章在《自然》官網(wǎng)在線發(fā)表
“論文上線后，《自然》官網(wǎng)兩天內(nèi)下載量超過了10,000次，這是當(dāng)時除了新冠疫情研究外下載量最高的文章?！蓖跖d軍告訴記者，這項高集成度的硅基光電子系統(tǒng)，實現(xiàn)了T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號處理，展示了高密度多維復(fù)用的微通信和微處理芯片級集成系統(tǒng)的全新架構(gòu)，開創(chuàng)了下一代多維硅光集成微系統(tǒng)子學(xué)科的發(fā)展?！跋嚓P(guān)研究成果有望直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5/6G通信、自動駕駛、光計算等領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域更好更快發(fā)展注入‘芯’動能?！痹谶@個工作的基礎(chǔ)上，他的團隊在2023年再次取得新的進展，他們報道了一種基于光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超高算力密度硅基集成光子處理器，攻克了多波長并行光計算系統(tǒng)校準(zhǔn)和超高精度權(quán)重加載兩大技術(shù)難題，這項成果發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）；提出了一種基于并行混沌熵源的極簡硅基片上并行激光雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了目前最高精度為2mm的并行探測和大于30dB的抗干擾抑制比，為下一代高性能抗干擾激光雷達(dá)提供了一種革命性解決方案，這項成果發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。
集成微腔光梳驅(qū)動的硅基集成光電子片上系統(tǒng)圖
立德樹人是教師的根本使命
“科研做得好，課又講得好”是學(xué)生們對王興軍的評價。作為獲得“北京大學(xué)優(yōu)秀教師”“北京大學(xué)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員”“北京大學(xué)教學(xué)優(yōu)秀獎”“北京大學(xué)教學(xué)成果獎”“學(xué)會/北大優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師”等多項榮譽的學(xué)者，王興軍始終把“教師”的角色看得很重?！皥猿纸虝陀讼嘟y(tǒng)一，堅持言傳和身教相統(tǒng)一”是王興軍的為師之道。
王興軍主持多門本科生和研究生課程，教學(xué)成績優(yōu)異。其中，他所主講的本科生專業(yè)核心課程“光電子學(xué)”，注重在講授基礎(chǔ)理論的同時，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。針對光電領(lǐng)域智能化、集成化的趨勢，王興軍為本科生新開設(shè)了“集成光電器件與系統(tǒng)在人工智能中的應(yīng)用”和“納米與光電集成電路”兩門課程，旨在讓同學(xué)們盡快接觸領(lǐng)域的前沿技術(shù)、了解發(fā)展趨勢，從而更好地投身研究生階段的科學(xué)探索中。在研究生階段的課程中，王興軍開設(shè)的“硅基光電子學(xué)”的教學(xué)成績同樣優(yōu)異。2018年至2022年，王興軍還受到中國科學(xué)院大學(xué)的邀請，參與講授研究生課程“光電子學(xué)”，這門課程在2021年被評為中國科學(xué)院大學(xué)優(yōu)秀課程。
在王興軍心中，教材編寫是探索科教融合的有效途徑。近兩年，他結(jié)合多年教學(xué)的經(jīng)驗和學(xué)術(shù)科研前沿知識，主編了《硅基光電子集成技術(shù)——光波導(dǎo)放大器與激光器》和《硅基微波光子集成技術(shù)》兩本教材。前者目前已出版，入選工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材立項資助，并獲得電子工業(yè)出版社優(yōu)秀作譯獎。
《硅基光電子集成技術(shù)——光波導(dǎo)放大器與激光器》書影
培養(yǎng)一大批服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求的高水平創(chuàng)新型人才是王興軍在多年的教師生涯中所始終追尋的。作為青年長江學(xué)者的優(yōu)秀代表，他曾在《中國高等教育》期刊上發(fā)表題為《立德樹人是青年學(xué)者歷史使命》的文章。目前，王興軍擔(dān)任電子學(xué)院黨委副書記和主管教學(xué)工作的副院長，他積極組織參與學(xué)院教育教學(xué)綜合改革，將思政教育融入到全過程育人中。在重視科研能力的同時，王興軍也格外重視學(xué)生的品德與科研作風(fēng)建設(shè)，“要愛黨、愛國、愛人民，在科學(xué)探索中‘求得真學(xué)問、練就真本領(lǐng)’”，這是王興軍對學(xué)生的要求。
王興軍與學(xué)生們參加支部活動
因材施教、做到有針對性的培養(yǎng)，這是王興軍對自己的要求。在他看來，北大的每一個學(xué)生都是非常優(yōu)秀且獨一無二的，他們各有專長、各有特點，只有觀察到學(xué)生的興趣和特點因材施教，才能讓每一棵“好苗子”長成根基穩(wěn)固的“參天大樹”。在他的組里，有的博士生安靜內(nèi)向、有的開朗活潑，王興軍會在與學(xué)生深入溝通學(xué)術(shù)興趣的基礎(chǔ)上，根據(jù)每個人的性格和擅長去安排課題和日常工作，鼓勵學(xué)生挑戰(zhàn)“舒適區(qū)”，在更廣闊的空間不斷提升綜合能力。
王興軍參加學(xué)生的畢業(yè)典禮
舒浩文是王興軍的第一個博士生，在跟隨王興軍攻讀博士學(xué)位后，他入選全國“博士后創(chuàng)新人才支持計劃”和北大博雅博士后繼續(xù)在團隊挑重?fù)?dān)。2023年2月，由于學(xué)術(shù)成果斐然，舒浩文以助理教授（研究員）的身份正式入職北大。本來，舒浩文在博士畢業(yè)后可以找到很多很好的崗位，但他覺得和老師一起攻關(guān)的課題很有意思，毅然選擇留在組里做博士后。
在舒浩文的心目中，王興軍并非傳統(tǒng)意義上的“嚴(yán)師”，他很能發(fā)掘?qū)W生的“興趣點”，鼓勵大家進行大膽假設(shè)和嘗試，經(jīng)常就一個想法帶領(lǐng)各個方向的同學(xué)共同進行多角度的仔細(xì)論證。“這使得我們在研究過程中能夠天馬行空地自由探索，并且整合課題組內(nèi)的集體智慧高效地完成想法論證?！笔婧莆恼f道。在跟隨王興軍學(xué)習(xí)期間，舒浩文經(jīng)常有機會與相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者進行交流，“王老師很看重大家的溝通交流和組織能力，積極為大家創(chuàng)造與專業(yè)學(xué)者接觸的機會，這對我們盡早盡快接觸學(xué)術(shù)前沿大有裨益”。
為國家和社會培養(yǎng)創(chuàng)新型高層次人才是王興軍的教學(xué)使命?！氨M管一開始實驗空間有限，但是這里有最好的學(xué)生，有最好的學(xué)術(shù)支撐平臺作后盾，這是每一個科研工作者夢寐以求的。”王興軍說道。
在他的不懈努力下，他的團隊結(jié)出了累累碩果：1人獲得中國通信學(xué)會優(yōu)秀博士論文、1人獲得中國光學(xué)工程學(xué)會創(chuàng)新論文獎（優(yōu)博）、1人獲得中國電子學(xué)會優(yōu)秀碩士論文、3人獲得北京大學(xué)優(yōu)秀博士和碩士論文、2人獲得全國微波光子學(xué)術(shù)新星（每年全國5人）、2人獲得“光波分復(fù)用之父”厲鼎毅紀(jì)念獎學(xué)金提名（每年全球10名）、6人獲得國家獎學(xué)金……他的學(xué)生和博士后的名字越來越多地出現(xiàn)在學(xué)術(shù)頂刊和頂級會議中，成為了光電領(lǐng)域冉冉升起的新星。王興軍告訴記者，在立德樹人方面最令他驕傲的事是目前他培養(yǎng)畢業(yè)的3名博士生都品學(xué)兼優(yōu)?！八麄冎杏袃晌环謩e獲得‘中國通信學(xué)會優(yōu)博’‘中國光學(xué)工程學(xué)會優(yōu)博’的榮譽，另一位也進入到了中國電子學(xué)會最后的終評，在等待結(jié)果公布?！闭劦綄W(xué)生，王興軍臉上露出欣慰的微笑。
從基礎(chǔ)理論到系統(tǒng)應(yīng)用的飛躍
2023年2月21日下午，中共中央政治局就加強基礎(chǔ)研究進行第三次集體學(xué)習(xí)。習(xí)近平總書記在聽取北京大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士龔旗煌教授的講解和建議后，作了重要講話。他指出，加強基礎(chǔ)研究，是實現(xiàn)高水平科技自立自強的迫切要求，是建設(shè)世界科技強國的必由之路。
夯實基礎(chǔ)理論，突破關(guān)鍵技術(shù)，打通系統(tǒng)應(yīng)用“最后一公里”——多年以來，王興軍在北大這方科研沃土上循著這條道路不斷探索。王興軍認(rèn)為，硅光研究是非常能體現(xiàn)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用全鏈條發(fā)展的一個新的學(xué)科方向。它既有硅基發(fā)光、片上損耗等最本質(zhì)的科學(xué)問題，也有大規(guī)模硅基光電集成等需要攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)，以及光通信、光傳感、微波光子、光計算等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用前景。同時，它也是一個光學(xué)、電子、通信、材料、物理等多學(xué)科交叉融合不斷發(fā)展的結(jié)果，是國際科技競爭向基礎(chǔ)前沿前移的重要領(lǐng)域。總書記的重要講話讓王興軍很受鼓舞，他表示，未來將繼續(xù)面向國家重大需求刻苦攻關(guān)，努力實現(xiàn)更多“從0到1”的突破原創(chuàng)性成果，攻克更多“卡脖子”難題，實現(xiàn)科技自立自強，為我國信息技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略作出北大人的貢獻。
好的成果離不開重量級的科研平臺。王興軍團隊所在的平臺是北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，這是我國光通信領(lǐng)域的第一個國家重點實驗室。近年來，光電子學(xué)作為實驗室一個重要的發(fā)展方向，國家投入數(shù)千萬元經(jīng)費建成了光子芯片加工平臺，這些都為團隊的硅基光電子集成芯片研究提供了良好的基礎(chǔ)保障。團隊所依托的另一個平臺是北京大學(xué)教育部納光電子前沿科學(xué)中心，這個中心的創(chuàng)辦就是旨在打破學(xué)科界限和院系壁壘，融合集成納光子與微電子的優(yōu)勢，開展基礎(chǔ)性、前瞻性、多學(xué)科深度交叉融合的創(chuàng)新研究，目前中心已經(jīng)成為國際納光電子學(xué)研究方面的重要力量。兩大平臺具有雄厚的科研實力和完備的實驗條件，為王興軍的團隊開展集成光電子以及與其他學(xué)科的交叉研究提供了深度融合的平臺。2021年，王興軍依托該平臺與物理學(xué)院肖云峰教授和龔旗煌院士合作，在納米尺度單顆粒檢測中取得重要進展，當(dāng)年，這項成果發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
2021年，北京大學(xué)成立長三角光電科學(xué)研究院，王興軍擔(dān)任光電子芯片與信息系統(tǒng)研究室主任，研究院的成立促進了王興軍團隊的成果轉(zhuǎn)化，而技術(shù)轉(zhuǎn)化又為服務(wù)國家戰(zhàn)略需要和企事業(yè)單位產(chǎn)品需求成果提供了重要支撐。在這里，王興軍的團隊搭建了從光電子、微電子芯片到模塊的全流程測試和封裝平臺。“一方面，平臺的建設(shè)可以推動團隊自研光電子芯片與模塊的成熟度提升，目前，部分技術(shù)已經(jīng)在企業(yè)和研究院所實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，為相關(guān)單位提供了所需的光電芯片；另一方面，平臺也已經(jīng)為20余家單位提供了定制化的光電封裝和測試服務(wù)?？梢哉f，這些工作讓我們探索了實現(xiàn)芯片從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用的道路?！?/p>
北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院
追求真理、勇攀高峰，這是黨中央對新時代科學(xué)工作者的期望，也是一代又一代中國光電子學(xué)人所始終秉持的科學(xué)精神。“生逢新時代，有這樣好的科研條件，我們必須孜孜不倦、努力奮斗，跑得慢了就是落后。”在采訪的最后，王興軍這樣說道。在突破“卡脖子”技術(shù)的道路上，在爭取科技自立自強的奮斗中，他和他的團隊將不斷奮勇向前。
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