計量科學是推動基礎科學發(fā)展的關鍵，而光學在其中的作用日益凸顯。光學頻率梳（簡稱光梳）作為近年來光學領域的前沿研究方向，由成千上萬個頻率間隔相等、相位穩(wěn)定的激光構(gòu)成，被稱為光學領域最精密的“尺子”。

光梳的應用潛力巨大，例如基于光梳構(gòu)建的光學原子鐘是目前國際上最先進的精密計時技術，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)模應用的可能性。對此，一位北大的青年科學家?guī)ьI團隊致力于將光梳縮小到芯片尺度，推動“光梳芯片”進入更廣闊的應用領域。

他就是北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、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中心“極端光學創(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，也看到了中國物理學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科?！睏钇鸱貞浀馈?/p>

在全國最好的北大物理學院，楊起帆并不追求做一個“十全十美”的學生，他的學習風格更為隨性：“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。”

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科前沿的機會——大二時，他與“光學微腔”結(jié)緣，加入了剛剛回國的青年科學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，光學微腔領域領軍人物、加州理工學院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，來到加州理工學院攻讀博士學位，繼續(xù)他的“光緣”之路。

“雖然Vahala教授很少直接給學生壓力，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。”在導師的建議下，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，一系列有關微腔光梳的基礎研究和微型光譜儀等應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格。

在博士后期，楊起帆開始深入思考微腔光梳領域的整體發(fā)展方向?！澳菚r，我開始琢磨要從學生向科學家轉(zhuǎn)型，每天都在思考這個領域面臨的瓶頸以及如何解決這些問題?！痹谕瓿勺约旱恼n題任務的同時，他主動與其他頂尖團隊展開合作。

“在當今的科學研究中，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，才能攻克領域內(nèi)的關鍵難題?！睏钇鸱c合作者們深入表征多個集成光子學材料平臺，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院，成為“極端光學創(chuàng)新研究團隊”的青年骨干力量，與優(yōu)秀的同事和學生一起攀登光學研究的高峰。

02光梳芯片中國造

楊起帆的辦公室位于北京大學新燕園校區(qū)的納光電子前沿科學中心。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研究來說，芯片產(chǎn)線相當于大科學裝置，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’的風險。我們正在建設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合型光子芯片，這是實現(xiàn)集成光梳及其相關應用的基礎?！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。”基于國產(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用領域的研究。

去年，納光電子前沿科學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，為各學科與光學相關的學者提供了思想碰撞和智慧交流的機會，從而產(chǎn)生跨學科的創(chuàng)新成果。“科學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)復合型人才，又能催生重要的科技突破?！?/p>

03“嚴”而“寬”的青年領路人

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，涵蓋了從基礎物理到應用研究的完整鏈條。在學生眼中，這位年輕的導師既嚴謹又寬容——他對工作要求極高，但同時給予學生充分的自由，鼓勵他們自主驅(qū)動學習和創(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，導師們都是極其嚴謹?shù)目茖W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卡。如今，作為導師的他，也將這種科學態(tài)度延續(xù)到了學生的培養(yǎng)中。

他不喜歡查考勤，也不要求學生按時匯報，更多的是鼓勵他們自主完成科研任務，精益求精——這實際上對學生提出了更高的要求。

“北大的學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)常去實驗室和學生們一起討論科研，這不僅讓他能夠及時掌握每個學生的進展，也幫助他在學生遇到科研瓶頸時，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”。

在實驗關鍵時刻，楊起帆常常和學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’?！迸d奮的楊起帆立刻給學生打電話。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頻率梳。

十多年后回到北大，楊起帆感慨如今的北大學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)，并熱情歡迎更多學生來到新燕園校區(qū)，利用先進的納光平臺開展學術實踐。

在楊起帆心目中，科學精神的薪火相承是年輕科研人員的重要使命。“從饒毓泰老先生創(chuàng)建北大光學學科起，一代代的北大光學人不斷探索耕耘，有了現(xiàn)在的實力和規(guī)模，開放包容一直是北大光學發(fā)展的特色。我們一定要傳承好老一輩科學家的優(yōu)良學風，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。