計(jì)量科學(xué)是推動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)光梳）作為近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的前沿研究方向，由成千上萬(wàn)個(gè)頻率間隔相等、相位穩(wěn)定的激光構(gòu)成，被稱(chēng)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(guó)際上最先進(jìn)的精密計(jì)時(shí)技術(shù)，而全球最大容量的光通信系統(tǒng)也是通過(guò)光梳實(shí)現(xiàn)的。

然而，光梳目前仍面臨體積大、能耗高、成本昂貴等問(wèn)題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可能性。對(duì)此，一位北大的青年科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于將光梳縮小到芯片尺度，推動(dòng)“光梳芯片”進(jìn)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(guān)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和納光電子前沿科學(xué)中心“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”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(guó)物理競(jìng)賽金獎(jiǎng)并進(jìn)入國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)。在選擇本科專(zhuān)業(yè)時(shí)，他曾一度猶豫，不確定是繼續(xù)走物理道路，還是選擇當(dāng)時(shí)更熱門(mén)的金融等專(zhuān)業(yè)。

然而，一次到北京來(lái)參觀(guān)中科院物理所的機(jī)會(huì)讓楊起帆決定還是認(rèn)準(zhǔn)物理——“我了解了中國(guó)物理發(fā)展的歷史脈絡(luò)，也看到了中國(guó)物理學(xué)家為追求真理所作的巨大貢獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)非常振奮，決定選擇這個(gè)簡(jiǎn)單而純粹的學(xué)科?！睏钇鸱貞浀?。

在全國(guó)最好的北大物理學(xué)院，楊起帆并不追求做一個(gè)“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(xiàng)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(jī)會(huì)——大二時(shí)，他與“光學(xué)微腔”結(jié)緣，加入了剛剛回國(guó)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。“科研工作中思維的自由度深深吸引了我，它能夠充分調(diào)動(dòng)我的積極性。我經(jīng)常與老師討論，也常圍觀(guān)師兄師姐做實(shí)驗(yàn)，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(lái)到中國(guó)訪(fǎng)問(wèn)，還是本科生的楊起帆與教授進(jìn)行交流，并給他留下了深刻印象。2013年，楊起帆與燕園揮別，來(lái)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(dāng)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(huì)過(guò)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(shí)，這一領(lǐng)域尚屬新興，研究較少，同行也不看好。“萬(wàn)事開(kāi)頭難，最初兩年在科研上進(jìn)展緩慢，但我還是通過(guò)爬山、滑雪等興趣愛(ài)好保持了較為樂(lè)觀(guān)的心態(tài)，在導(dǎo)師的鼓勵(lì)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(shí)、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(kāi)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(kāi)始深入思考微腔光梳領(lǐng)域的整體發(fā)展方向?！澳菚r(shí)，我開(kāi)始琢磨要從學(xué)生向科學(xué)家轉(zhuǎn)型，每天都在思考這個(gè)領(lǐng)域面臨的瓶頸以及如何解決這些問(wèn)題?！痹谕瓿勺约旱恼n題任務(wù)的同時(shí)，他主動(dòng)與其他頂尖團(tuán)隊(duì)展開(kāi)合作。

“在當(dāng)今的科學(xué)研究中，合作變得尤為重要。一個(gè)課題組的資源是有限的，只有整合多個(gè)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(gè)集成光子學(xué)材料平臺(tái)，構(gòu)建了首個(gè)全集成的啟鑰式光梳芯片與赫茲級(jí)線(xiàn)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(guó)、回到母校，他感受到國(guó)內(nèi)科研環(huán)境有著日新月異的進(jìn)步，北大科研平臺(tái)的軟硬件條件都在大踏步前進(jìn)。2020年，新冠疫情突襲全球，正在美國(guó)作博士后研究的楊起帆決定“燕歸來(lái)”——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(tuán)隊(duì)”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(guó)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(dāng)被問(wèn)及回國(guó)后最重要的科研成果時(shí)，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(cè)試校級(jí)公共平臺(tái)。楊起帆和他的科研團(tuán)隊(duì)正在這里為集成光子芯片的研發(fā)全力以赴。“對(duì)于集成光子學(xué)研究來(lái)說(shuō)，芯片產(chǎn)線(xiàn)相當(dāng)于大科學(xué)裝置，是我們的生命線(xiàn)。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高性能光子芯片仍需依賴(lài)國(guó)外代工，不僅流失了大量科研經(jīng)費(fèi)，還時(shí)刻面臨被‘卡脖子’的風(fēng)險(xiǎn)。我們正在建設(shè)的自主工藝平臺(tái)將使北大能夠獨(dú)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(shí)現(xiàn)集成光梳及其相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)。”楊起帆為“中國(guó)造”的光子芯片感到自豪。

目前，楊起帆課題組已經(jīng)完全依靠國(guó)內(nèi)加工平臺(tái)，成功制造出傳輸損耗低于2dB/m的光子芯片，其各項(xiàng)指標(biāo)正逐步逼近國(guó)際頂尖水平?！爱?dāng)我們的平臺(tái)全面運(yùn)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(guó)外?！被趪?guó)產(chǎn)光子芯片開(kāi)發(fā)的集成光梳，現(xiàn)已部署于國(guó)內(nèi)多個(gè)合作團(tuán)隊(duì)，支撐著通信和計(jì)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(rèn)為，正是中心所搭建的交叉平臺(tái)，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(jī)會(huì)，從而產(chǎn)生跨學(xué)科的創(chuàng)新成果。“科學(xué)的共性散落在各個(gè)專(zhuān)業(yè)中，因此我們需要這樣一個(gè)‘搭臺(tái)唱戲’的機(jī)會(huì)，既能培養(yǎng)復(fù)合型人才，又能催生重要的科技突破?！?/p>

03“嚴(yán)”而“寬”的青年領(lǐng)路人

楊起帆的實(shí)驗(yàn)室目前有3位博士后、9位博士生和6位專(zhuān)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(yán)謹(jǐn)又寬容——他對(duì)工作要求極高，但同時(shí)給予學(xué)生充分的自由，鼓勵(lì)他們自主驅(qū)動(dòng)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(shí)期，導(dǎo)師們都是極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，每篇論文和每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都會(huì)被仔細(xì)審查，任何錯(cuò)誤或“注水”內(nèi)容都無(wú)法通過(guò)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(shí)匯報(bào)，更多的是鼓勵(lì)他們自主完成科研任務(wù)，精益求精——這實(shí)際上對(duì)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‘楷模’，與其嚴(yán)格執(zhí)行教條式的打卡管理，我更看重激發(fā)他們對(duì)科研的興趣和內(nèi)驅(qū)力，希望他們能具備強(qiáng)烈的主觀(guān)能動(dòng)性，而不是事事等待導(dǎo)師的安排?！睏钇鸱缡钦f(shuō)。

作為一名年輕教師，楊起帆經(jīng)常去實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生們一起討論科研，這不僅讓他能夠及時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生的進(jìn)展，也幫助他在學(xué)生遇到科研瓶頸時(shí)，給予適時(shí)的建議與鼓勵(lì)。不過(guò)，盡管他會(huì)給予支持，但在科研標(biāo)準(zhǔn)上，楊起帆從不“心軟”。

在實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵時(shí)刻，楊起帆常常和學(xué)生一起長(zhǎng)時(shí)間待在實(shí)驗(yàn)室，共同為實(shí)驗(yàn)的成功興奮，也一起絞盡腦汁“攻關(guān)升級(jí)”。

“有一次，我們?cè)谶M(jìn)行低噪聲光梳實(shí)驗(yàn)時(shí)，遇到了一個(gè)始終無(wú)法排除的神秘噪聲，讓我們始終無(wú)法突破世界紀(jì)錄。有一天，我在校園里散步時(shí)突然想到，可能是因?yàn)槲覀儧](méi)有做‘補(bǔ)償’?！迸d奮的楊起帆立刻給學(xué)生打電話(huà)。新的實(shí)驗(yàn)很快開(kāi)展，果然，他的猜想得到了驗(yàn)證——實(shí)驗(yàn)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(jī)會(huì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)他當(dāng)年的條件，成長(zhǎng)的速度也因此更快。他鼓勵(lì)那些學(xué)有余力的本科生早些進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)性地接受科研培養(yǎng)，并熱情歡迎更多學(xué)生來(lái)到新燕園校區(qū)，利用先進(jìn)的納光平臺(tái)開(kāi)展學(xué)術(shù)實(shí)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。“從饒毓泰老先生創(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(shí)力和規(guī)模，開(kāi)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(duì)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(shí)現(xiàn)國(guó)家高水平科技自立自強(qiáng)作出一點(diǎn)貢獻(xiàn)?！睏钇鸱f(shuō)道。