計量科學(xué)是推動基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵，而光學(xué)在其中的作用日益凸顯。光學(xué)頻率梳（簡稱光梳）作為近年來光學(xué)領(lǐng)域的前沿研究方向，由成千上萬個頻率間隔相等、相位穩(wěn)定的激光構(gòu)成，被稱為光學(xué)領(lǐng)域最精密的“尺子”。
光梳的應(yīng)用潛力巨大，例如基于光梳構(gòu)建的光學(xué)原子鐘是目前國際上最先進的精密計時技術(shù)，而全球最大容量的光通信系統(tǒng)也是通過光梳實現(xiàn)的。
然而，光梳目前仍面臨體積大、能耗高、成本昂貴等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可能性。對此，一位北大的青年科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)團隊致力于將光梳縮小到芯片尺度，推動“光梳芯片”進入更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
他就是北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學(xué)中心“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”的楊起帆研究員。
01“光緣”緣起
2008年，還是寧波鎮(zhèn)海中學(xué)高中生的楊起帆獲得了全國物理競賽金獎并進入國家集訓(xùn)隊。在選擇本科專業(yè)時，他曾一度猶豫，不確定是繼續(xù)走物理道路，還是選擇當時更熱門的金融等專業(yè)。
然而，一次到北京來參觀中科院物理所的機會讓楊起帆決定還是認準物理——“我了解了中國物理發(fā)展的歷史脈絡(luò)，也看到了中國物理學(xué)家為追求真理所作的巨大貢獻，當時非常振奮，決定選擇這個簡單而純粹的學(xué)科。”楊起帆回憶道。
在全國最好的北大物理學(xué)院，楊起帆并不追求做一個“十全十美”的學(xué)生，他的學(xué)習(xí)風(fēng)格更為隨性：“我可能喜歡的課就多上一些，感興趣的科研項目就投入更多的精力?！?/p>
北大是拔尖人才培育的沃土，本科生科研給了不到20歲的楊起帆早早接觸學(xué)科前沿的機會——大二時，他與“光學(xué)微腔”結(jié)緣，加入了剛剛回國的青年科學(xué)家肖云峰教授的課題組，成為組里最年輕的成員?！翱蒲泄ぷ髦兴季S的自由度深深吸引了我，它能夠充分調(diào)動我的積極性。我經(jīng)常與老師討論，也常圍觀師兄師姐做實驗，比較早地確定了科研的志向?！?/p>
2012年，光學(xué)微腔領(lǐng)域領(lǐng)軍人物、加州理工學(xué)院Kerry Vahala教授來到中國訪問，還是本科生的楊起帆與教授進行交流，并給他留下了深刻印象。2013年，楊起帆與燕園揮別，來到加州理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，繼續(xù)他的“光緣”之路。
“雖然Vahala教授很少直接給學(xué)生壓力，但當你發(fā)現(xiàn)課題組里比你聰明的人還特別努力，顯然也不會過得很輕松?！痹趯?dǎo)師的建議下，楊起帆選擇了微腔光梳作為研究方向。
彼時，這一領(lǐng)域尚屬新興，研究較少，同行也不看好?！叭f事開頭難，最初兩年在科研上進展緩慢，但我還是通過爬山、滑雪等興趣愛好保持了較為樂觀的心態(tài)，在導(dǎo)師的鼓勵和合作者的支持下，最終在芯片上產(chǎn)生了鎖模的光梳?！边@也成為了Vahala課題組最扎實、最重要的工作之一。
其后，一系列有關(guān)微腔光梳的基礎(chǔ)研究和微型光譜儀等應(yīng)用研究因此能夠順利開展，這段經(jīng)歷也深刻影響了楊起帆日后的科研理念與風(fēng)格。
在博士后期，楊起帆開始深入思考微腔光梳領(lǐng)域的整體發(fā)展方向?！澳菚r，我開始琢磨要從學(xué)生向科學(xué)家轉(zhuǎn)型，每天都在思考這個領(lǐng)域面臨的瓶頸以及如何解決這些問題。”在完成自己的課題任務(wù)的同時，他主動與其他頂尖團隊展開合作。
“在當今的科學(xué)研究中，合作變得尤為重要。一個課題組的資源是有限的，只有整合多個課題組的力量，齊心協(xié)力，才能攻克領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵難題?！睏钇鸱c合作者們深入表征多個集成光子學(xué)材料平臺，構(gòu)建了首個全集成的啟鑰式光梳芯片與赫茲級線寬的集成激光器，為光梳的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。
在攻讀博士期間，楊起帆也多次回國、回到母校，他感受到國內(nèi)科研環(huán)境有著日新月異的進步，北大科研平臺的軟硬件條件都在大踏步前進。2020年，新冠疫情突襲全球，正在美國作博士后研究的楊起帆決定“燕歸來”——回到最熟悉的北大物理學(xué)院，成為“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”的青年骨干力量，與優(yōu)秀的同事和學(xué)生一起攀登光學(xué)研究的高峰。
02光梳芯片中國造
楊起帆的辦公室位于北京大學(xué)新燕園校區(qū)的納光電子前沿科學(xué)中心。當被問及回國后最重要的科研成果時，他笑著指了指腳下的地板：“就在這里?！?/p>
新燕園校區(qū)的納光樓底層即將建成納光電子加工與測試校級公共平臺。楊起帆和他的科研團隊正在這里為集成光子芯片的研發(fā)全力以赴?！皩τ诩晒庾訉W(xué)研究來說，芯片產(chǎn)線相當于大科學(xué)裝置，是我們的生命線。
目前，國內(nèi)大多數(shù)高性能光子芯片仍需依賴國外代工，不僅流失了大量科研經(jīng)費，還時刻面臨被‘卡脖子’的風(fēng)險。我們正在建設(shè)的自主工藝平臺將使北大能夠獨立生產(chǎn)超低損耗、超高集成度的多材料復(fù)合型光子芯片，這是實現(xiàn)集成光梳及其相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)?！睏钇鸱珵椤爸袊臁钡墓庾有酒械阶院馈?/p>
目前，楊起帆課題組已經(jīng)完全依靠國內(nèi)加工平臺，成功制造出傳輸損耗低于2dB/m的光子芯片，其各項指標正逐步逼近國際頂尖水平。“當我們的平臺全面運行后，預(yù)期工藝迭代速度將提升十倍以上，我相信很快就能趕超國外?！被趪a(chǎn)光子芯片開發(fā)的集成光梳，現(xiàn)已部署于國內(nèi)多個合作團隊，支撐著通信和計算等應(yīng)用領(lǐng)域的研究。
去年，納光電子前沿科學(xué)中心搬入新燕園校區(qū)。楊起帆認為，正是中心所搭建的交叉平臺，為各學(xué)科與光學(xué)相關(guān)的學(xué)者提供了思想碰撞和智慧交流的機會，從而產(chǎn)生跨學(xué)科的創(chuàng)新成果?！翱茖W(xué)的共性散落在各個專業(yè)中，因此我們需要這樣一個‘搭臺唱戲’的機會，既能培養(yǎng)復(fù)合型人才，又能催生重要的科技突破。”
03“嚴”而“寬”的青年領(lǐng)路人
楊起帆的實驗室目前有3位博士后、9位博士生和6位專業(yè)碩士生，涵蓋了從基礎(chǔ)物理到應(yīng)用研究的完整鏈條。在學(xué)生眼中，這位年輕的導(dǎo)師既嚴謹又寬容——他對工作要求極高，但同時給予學(xué)生充分的自由，鼓勵他們自主驅(qū)動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。
“也許這也是一種傳承?！睏钇鸱貞浧鸨究坪脱芯可鷷r期，導(dǎo)師們都是極其嚴謹?shù)目茖W(xué)家，每篇論文和每項實驗數(shù)據(jù)都會被仔細審查，任何錯誤或“注水”內(nèi)容都無法通過他們的關(guān)卡。如今，作為導(dǎo)師的他，也將這種科學(xué)態(tài)度延續(xù)到了學(xué)生的培養(yǎng)中。
他不喜歡查考勤，也不要求學(xué)生按時匯報，更多的是鼓勵他們自主完成科研任務(wù)，精益求精——這實際上對學(xué)生提出了更高的要求。
“北大的學(xué)生智商和勤奮程度都是‘楷?！?，與其嚴格執(zhí)行教條式的打卡管理，我更看重激發(fā)他們對科研的興趣和內(nèi)驅(qū)力，希望他們能具備強烈的主觀能動性，而不是事事等待導(dǎo)師的安排?！睏钇鸱缡钦f。
作為一名年輕教師，楊起帆經(jīng)常去實驗室和學(xué)生們一起討論科研，這不僅讓他能夠及時掌握每個學(xué)生的進展，也幫助他在學(xué)生遇到科研瓶頸時，給予適時的建議與鼓勵。不過，盡管他會給予支持，但在科研標準上，楊起帆從不“心軟”。
在實驗關(guān)鍵時刻，楊起帆常常和學(xué)生一起長時間待在實驗室，共同為實驗的成功興奮，也一起絞盡腦汁“攻關(guān)升級”。
“有一次，我們在進行低噪聲光梳實驗時，遇到了一個始終無法排除的神秘噪聲，讓我們始終無法突破世界紀錄。有一天，我在校園里散步時突然想到，可能是因為我們沒有做‘補償’。”興奮的楊起帆立刻給學(xué)生打電話。新的實驗很快開展，果然，他的猜想得到了驗證——實驗最終成功突破，獲得了世界上噪音最低的光學(xué)頻率梳。
十多年后回到北大，楊起帆感慨如今的北大學(xué)子所獲得的資源和探索科研前沿的機會已遠遠超過他當年的條件，成長的速度也因此更快。他鼓勵那些學(xué)有余力的本科生早些進入實驗室，系統(tǒng)性地接受科研培養(yǎng)，并熱情歡迎更多學(xué)生來到新燕園校區(qū)，利用先進的納光平臺開展學(xué)術(shù)實踐。
在楊起帆心目中，科學(xué)精神的薪火相承是年輕科研人員的重要使命?！皬酿堌固├舷壬鷦?chuàng)建北大光學(xué)學(xué)科起，一代代的北大光學(xué)人不斷探索耕耘，有了現(xiàn)在的實力和規(guī)模，開放包容一直是北大光學(xué)發(fā)展的特色。我們一定要傳承好老一輩科學(xué)家的優(yōu)良學(xué)風(fēng)，要對得起這么好的科研條件和科研資源，盡自己的一份力量，為實現(xiàn)國家高水平科技自立自強作出一點貢獻。”楊起帆說道。
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