肖贞林

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、支撑下一代集成電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

業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lntel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50mw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”。

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術发展的基

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。