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追光者 | 苏州纳米所梁伟:开拓之路,无问西东

追光者 | 苏州纳米所梁伟:开拓之路,无问西东 光电汇OESHOW
2024-06-25
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导读:“大男主”的开拓之路
本科毕业于清华大学,博士毕业于美国加州理工学院
师从世界光电子学巨匠Amnon Yariv,在核心期刊和会议发表90多篇论文;
以敏锐地洞察力推动窄线宽激光器的诞生,归国后又以开拓者的勇气革新F-P微腔技术方案……
是的,从“别人家的工程师”到“别人家的研究员”,大男主的成长线就是这样朴实无华。
今天,就让我们跟着光电汇一起,感受中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(以下简称“苏州纳米所”)梁伟研究员的追光之路。

跨越重洋
追寻光的方向


光学方向,并不是梁伟最先感兴趣的方向。但他的求学之路,却是一条向着光学越走越清晰的路。
“高中时,我的兴趣是物理,我们经常会去参加一些物理竞赛。”随着学习的深入,梁伟渐渐发现,比起理论物理,他更渴望将知识转化为实际应用。1997年,梁伟考入清华大学应用物理专业。
与此同时,作为物理学的重要分支,光学正在为世界带来革命性改变。20世纪90年代,光通信技术在互联网的发展中起到了重要的作用。在那个信息不甚发达的时代,梁伟敏锐地察觉到了光学及光电子学的发展潜力,这也为他之后的研究道路埋下伏笔。
清华毕业后,梁伟选择继续深造。
他回忆道:“那时候,出国留学成为新潮,许多师兄师姐拿到了国外学校的offer,我也‘随大流’申请了美国的学校。”
“随大流”的梁伟最终来到了世界顶尖理工科院校——美国加州理工学院,师从光量子之父、DFB激光器发明人Amnon Yariv,和钱学森、钱伟长等大儒成为校友。
这些光环,无论哪一条摆出来都足够耀眼。但光环之下,初到加州理工的梁伟却有点迷茫。“ 我到Yariv教授的课题组时,他已经70多岁了。更多的时候我是跟着课题组的师兄做一些项目,科研方向也几度变换。”梁伟说道,“早期的我,更偏向于自由探索的状态。”
“那时候,导师并没有给我们定明确的方向,我对整个行业也不太了解,还是有些迷茫和痛苦。”梁伟回忆道,但这并不意味着他完全处于迷茫之中,“虽然Yariv教授并没有直接指导我的实验,但他对我的科研兴趣培养、学术讨论和论文修改上的高要求,都极大地提升了我的学术能力。那一阶段,对我来说也是一个单纯兴趣驱动的阶段。”从布拉格球腔的计算仿真,到实验工作,再到锁相环项目,梁伟一步一步脚踏实地地向着他后来的研究方向——半导体激光器趋近。
光学锁相环和激光的相干合成,这也是梁伟的毕业课题。“我们当时做的锁相环就是用的半导体激光器,那个时候,我开始对半导体激光器的特性深入了解。”
一路生花
从实验室走向应用场


梁伟的研究成果丰硕,其中不乏令他引以为傲的论文。截至目前,梁伟已经在核心光电子期刊和学术会议上发表了90多篇论文,包括《Nature Communications》《Nature Photonics》《Optica》《Physical Review Letters》(PRL)《Optics Letters》等,总引用次数超过3000。这些研究不仅在学术界产生了广泛的影响,更是他科研生涯中的见证。

“不同时期的文章特点是不一样的,读博时我换了几个方向,工作时的文章主要是围绕公司的核心技术。”提及印象最深刻的论文,梁伟说道读书时期发表的一篇论文——“Highly sensitive fiber Bragg grating refractive index sensors”(高灵敏度光纤布拉格光栅折射率传感器)。“这是我师兄指导下做的一个实验,也是我从自己兴趣出发去做的课题,我们用光纤里的光栅去做化学物质的传感。”提到这篇文章,梁伟十分感慨:“十多年之后我回头看,它并不是多么特别的课题,也不是多么有影响力的发现,但它的引用次数反倒是最多的。”当年的无心插柳带给了梁伟意想不到的收获,“后来我也发表过很多文章,但是那种‘superise’的感觉却是不可复刻的。”

从加州理工毕业后,梁伟在OE Waves公司度过了10年的时光。这是一家聚焦微波光子领域的国际领先公司,在这里,梁伟的主要方向包括以微光腔为核心的微波光子学、窄线宽半导体激光器、微光腔光频梳、光电射频信号源的研究和产品开发。

“我在OE Waves做的一些项目、发表的文章基本上都是围绕回音壁、窄线宽激光和光频梳等,”梁伟表示,“这些方向直到现在依然非常火热。”

但当时的回音壁不同于目前的微环腔,在他们的那个时代,用的还是机械打磨的晶体腔。“我当时所在的OEwaves团队算是微腔窄线宽激光和光频梳领域的开拓者。

某种程度上来说,回音壁窄线宽激光这个产品,是由我推动产生的。”提起超窄线宽半导体激光器,梁伟难掩自豪,“我当时参与了窄线宽激光和光电振荡器两个核心产品的研究。”

事实上,梁伟初到OE Waves时,该公司就掌握了回音微腔技术,但主要用来做光电振荡器,超窄线宽激光器并不是公司想做的产品。当时已经对窄线宽激光行业有所了解的梁伟敏锐地察觉到市场上对于超窄线宽激光的需求,于是向公司管理层反应将超窄线宽激光作为单独产品推出,最终促成了超窄线宽半导体激光器的诞生。

不论是做科研还是做产品,都要多了解行业动向、培养独立思考能力,多尝试,不要人云亦云。”梁伟感慨道。

功夫不负有心人,2012年,梁伟主推和参与开发的超窄线宽半导体激光器获得了美国西部光电展的棱镜奖。

归国创业
纳米所的新篇章


梁伟的追光之路并未止步于海外。2018年,他回到中国,联合创立了苏州镭智传感科技有限公司,2019年加入中国科学院苏州纳米所,继续在光电子学领域深耕。

连续波激光雷达是梁伟回国时的创业项目,它对激光器的要求非常高,既要单频窄线宽激光,又要能够做高速的线性扫频调频,最重要的是在极其内卷的市场环境下,还需要极致的低成本。在苏州纳米所,梁伟选择了超窄线宽激光、光频梳等作为主要研究方向。

“中国的窄线宽激光实际上是比国外落后很多的,性能指标都要差上1~2个数量级。”梁伟介绍道,“国内的高端窄线宽激光市场基本被国外公司占据。”

实现窄线宽激光有很多技术方案,OEwaves采用的回音壁方案。这种方案品质因子高,激光线宽效果好,但是组装困难,成本很高,可靠性较差。为了避开OEwaves的专利,对不同的技术路径思虑再三后,梁伟转向了基于法布里-珀罗腔(FP)的超窄线宽激光器。这是一次新的尝试,虽然此前已有相关的科研报道,但国内外均未有基于FP微腔的窄线宽激光产品先例。

一方面是基于知识产权的考虑,一方面这也是我的一个契机和动力,去逼着自己想一套完全不同的技术体系和方案来实现窄线宽的目标。

与原有的回音壁方案相比,FP有自己独特的优势,那就是在产业化中非常重要的成本和工艺问题。

“晶体回音壁腔的棱镜耦合是非常困难的,国内目前还没有这个能力实现耦合。这样过于困难的技术工艺使得它的成本很高而良率变低,这就意味着它的批量化是及其困难的。”梁伟介绍道,“FP则在制作难度和成本方面的优势非常明显。”

“从线宽的角度来讲,我们所做的样品在国内也是非常领先的,把国内窄线宽激光的性能向前推进了一大截。”梁伟自豪道,“我们最好的激光器的性能比国外公司的产品还要好一点。

从应用的角度讲,单一的技术指标并不能决定这个技术能否用到产业化,而是要从成本、可靠性、可量产化等多维角度综合分析。“FP比之回音壁,更适合产业化推广。

2024年,苏州纳米所申报的、由梁伟主持的“亚赫兹线宽外腔超窄线宽半导体激光”以综合排名第一的成绩荣获2023年度中国十大光学产业技术。作为全球首家采用微型高品质因子FP腔开发的超窄线宽半导体激光技术,与其他基于实体波导的微腔相比,FP微腔方案显著降低了光腔的热吸收和非线性效应,以及对环境温度的敏感性,可实现更低的线宽和频率漂移,和更高的功率。

据了解,该超窄线宽半导体激光线宽指标已超越国外RIO 、NKT等行业领头羊,未来可应用于远距离传感、光钟、时频传递等领域,保障国家重大工程的开展。

学以致用
追光,无问西东


从科研到产业,大男主也踩过不少坑。

“做学术研究,强调‘新’:新原理、新想法、新方法、新技术,单一指标突破就是大进展;产业化则要求包括光机电软硬件所有模块都没有短板,还要考虑可靠性和成本各个方面都要好。”梁伟感慨道,“团队、产业链、市场开拓、to B的难点、市场竞争、资金、依托平台……一不小心就会踩坑。”

“团队非常重要,”这是梁伟从科研人转向市场人体会最深的点,“专业的人做专业的事情,专业的团队可以避免踩坑。”

“有了好的团队,再找准1~2个应用突破,才能逐渐树立行业口碑。”

关于未来的发展,梁伟有两个关键词:高性能,集成化

“技术路线上,我个人还是计划在高性能窄线宽激光领域继续挖掘。目前,原子的操控、应用等对激光提出了更多短波长的需求,我也会继续探索特殊波长激光的研发;同时,我也会尝试开拓新的应用领域,比如如何将我们的FP腔激光器的稳定性和高频谱纯度特性应用于微波光子学中等等。”

“另外,从应用的角度出发,目前国内高精尖的科研领域对特殊单频窄线宽激光器还是严重依赖进口。我们的团队也会持续寻找进口替代的机会,致力于开发国产化的解决方案,以减少对外部技术的依赖。

最后,梁伟还提到了光电子行业集成化发展的大趋势:“集成光学技术是大趋势,虽然我们不会直接涉足集成芯片的制造,但我们也会和国内该领域的同行和老师进行合作,以开发出满足市场需求,特别是面向大众消费的传感应用,典型的例子是连续波激光雷达,它所需的高性能、低成本的窄线宽激光器件用集成技术解决是最可行的方案。”

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