集成光电技术的探索者

杨扬

当今是光纤城域网和接入网蓬勃发展的时代。移动多媒体、交互式网络电视、视频数据流等信息数据的海量增长和高质量要求，对信息传输网络提出了严峻挑战。由分立光电子器件构建的光网络设备将难以适应网络与业务的飞速发展，同时，随着设备容量的不断扩展，能源消耗急剧增加，系统网络的可靠性随着分立器件的大量应用也将不断降低。因此，如何获得低成本、低功耗和高可靠性的光子器件，已经成为各国科研机构和通信设备商所要解决的关键问题。光子集成技术被认为是解决上述问题的有效途径。北京工业大学电子信息与控制工程学院刘克教授，多年来一直从事发展新型功能集成光电子器件和材料的研究工作，取得了骄人的成绩。

志存高远 成名海外

刘克1973年出生在吉林省长春市，1996年7月于南京理工大学电子工程与光电技术学院获电子工程学士学位，并获得优秀毕业生称号。同年，他考入吉林大学电子工程系，师从衣茂斌教授，开展应用于半导体激光高速电光采样仪的单片微波集成宽带360°模拟移相器的研制。其如何平衡移相器插入损耗和拓展频带宽度的研究成果分别发表在《电子与信息学报》和《微波学报》等期刊上。1999年7月，他获得电路与系统理学硕士学位。从2002年开始，他在香港城市大学电子工程系师从E.Y.B.Pun讲座教授攻读博士学位及博士后，主攻掺铒玻璃光波导放大器和光通信用稀土掺杂玻璃材料的研究，掌握了光纤通信用高增益掺铒玻璃光波导放大器（EDWA）的关键技术——技术上通过铒镱离子掺杂比的优化以及低损耗光波导制备方法来实现，焦点分别集中于两种新颖且实用的波导制作方法：聚焦的质子束直写和辅助电场退火的离子交换法。此项目是他攻读博士学位期间作为技术骨干与中科院半导体研究所祝宁华研究员合作完成的“863”计划项目，验收的结果认为：该器件能够满足城域网市场对高集成度、高性能和低价格器件的需求，在光通信领域具有很大的经济价值。

2006年1月获得集成光学博士学位后，刘克漂洋过海踏上了美国的土地。他作为美国北卡罗来纳大学夏洛特分校光电子和光通信研究中心的博士后研究员，师从被誉为超晶格之父的著名物理学家朱兆祥（Raphael Tsu）终身教授，开展嵌入半导体CdSe/ZnS核壳量子点的有源光子晶体薄膜材料的研究。

谈到在美国近六年的工作经历，刘克谦虚地介绍：“此项研究属于半导体物理学，半导体量子点激光器一直都是发光器件的热点方向。研究发现，嵌入到由二氧化硅小球（直径约300nm）构成的三维光子晶体的量子点的光致发光峰值临近于布里渊区边界的光子能量时，量子点的光致发光的峰值强度呈现急剧加强的现象。这一成果为量子点光子晶体红/绿光激光器的实现奠定了实验基础。该研究成果发表在Microelectronics Journal期刊上，被Science Direct评为当年7月至9月前15名最热门文章。随后，我担任美国德克萨斯大学达拉斯分校电气工程系副研究员，先后开展了硅基光子晶体器件和基于InP衬底的二维有源光学格型滤波器的研究工作，首次与崔永浩博士合作。我们先做的是基于光子晶体结构的光学调制器和超级透镜，这些微纳器件应用在硅基光子学上比较有优势，目的是制备的器件具有紧凑且集成度高的特点。我们率先实现工作于1.55μm波长突破衍射极限的热光可调硅基二维光子晶体超透镜。2010年2月第4卷NaturePhotonics期刊在Researchhighlightse专栏评价了此项研究成果的创新性。该报道称其新颖，展示了紧凑型热光可调微纳光子晶体超透镜，器件30μm×7μm的平面尺寸具有高度集成的特点，潜在应用于纳米级光学成像系统。而后，我们开展的多量子阱InP光子集成回路的单片有源光学格型滤波器件，解决了由分立的光学器件构成的微波光子滤波器的体积笨重、配置不灵活和高成本的困境，物理上制备了光学模拟信号处理引擎与重构功能的二维有源微波光子格型滤波器芯片。此项研究为实现大规模增益调节的传输函数重构型光子集成滤波器提供了理论和实验基础。总体而言，在美国做的这些科研工作，不敢说对光子集成领域产生了什么重要影响，只是为后来的科研工作者对微纳集成器件方向提供了一些新的思路和新的方法。”鼓励科技体系创新

当刘克谈到自己的两位导师时，他总是怀着崇敬之情，觉得自己的成就离不开导师的言传身教，导师也为他今后的科研和教学工作提供了参考和范本。他表示，这两位导师从学问上来说都是很知名的专家学者。他们给我的感觉有两个方面：一是知识面比较广；二是善于教学。导师在这个领域的研究时间非常长，知识面宽，思维敏锐，往往从一个非正常实验现象就能看出内在的端倪。我觉得自己的知识面还是不够广，在面对研究的一个难解的实验现象时，有时候想不出是因为什么原因，但导师们给我的提示和引导让我有了恍然大悟的感觉。有时候，实验的过程中遇到瓶颈或困难了，他们会为我指明方向。我现在也做教授了，也在想怎么才能让自己和学生把科研做好、做得有兴趣。有些未知问题我希望自己要先想一想弄一弄，然后看看能给学生什么提示和启发，让他们少一些迷惑或者少走弯路。

2011年，刘克被选为北京市第六批海外人才聚集工程（海聚工程）项目入选者。同年10月，刘克从美国德克萨斯州返回中国，并在北京工业大学电子信息与控制工程学院光电子技术省部共建教育部重点实验室任教。

谈到回国任教的经历，刘克坦言，尽管国内外科研环境有很大的不同，但是国内的科研和工作机会比国外多，机会总是给那些有准备的人。他举例说：“对于我们这些做科研创新的群体来说，我体会到近十年中国的经济高速发展，同时科研投入也巨大，直接产生了许多有影响的科研成果。就发表文章而言，1996年我攻读硕士的时候发表一篇SCI论文还是很困难的，现在看觉得不算什么了。国家对创新投入很大，科研设备和科研环境都比十多年前好很多，产出的有意义的成果比以前更多。我觉得国内各方面的机会可能会更大一些。美国的科研项目申请竞争也很激烈，有个好的想法不一定能及时得到资助。我觉得当前国家的科研创新氛围比较好，相对比较容易拿到项目资助。”作为一名海归，刘克将自己在国外的科研经验传播到国内来。他鼓励其他老师多做学术交流，多作学术报告，不要埋头做自己的事情，因为，个人能力有限。对此，刘克说：“我只能以身作则，影响周围的同事和朋友。”党的十八大报告中提出的深化科技体制改革，完善知识创新体系，完善科技创新评价标准等内容，让刘克备受鼓舞。“我希望党的十八大会议精神能落实到培养学生全面发展中去，也希望自己能在科研上有更多的创新。”2012年3月，刘克荣获北京市特聘专家称号，同年12月当选为中关村青年联合会第一届委员。目前，他担任国家科技奖励评审和北京市留学人员科技活动择优资助评审专家。

刘克自任职北京工业大学电子信息与控制工程学院教授以来，初步组建了光子集成科研与实验平台，依此基础开展了多量子阱InP基有源/无源光电子集成器件如InP基电光开关及阵列、L波段InP基可调谐激光器等方向的研究。光开关及其阵列是实现光传输路径变换的关键器件之一，被广泛应用于光链路层的路由/波长选择、光交叉连接器、光分插复用器以及片上光互连等方面。新一代器件的特征是它们在光域性能的提高和多功能的集成。近几年，随着低成本和高性能光芯片的需求，基于光子集成回路（PhotonicIntegrated Circuits，PIC）的单片光器件逐渐得到业界的广泛关注。目前InP基量子阱材料适合于1.3μm和1.55μm波长光纤通信，是唯一在此通信窗口具有光产生、光放大和光探测能力的半导体材料。InP基光子学已经成为光通信产业中最关键的技术之一，特别是目前光通信所需要的光源，InP基半导体激光器几乎是唯一的选择。美国硅谷的Infinera公司是倡导InP基大规模光子集成回路的代表，目前开发出业界领先的10个通道且每通道100Gb/s的传输速率，总共处理1Tb/s容量的单一光子集成芯片。鉴于我国在这方面的研究相对薄弱，因此，开展InP基光子学的研究具有重要的现实意义。

对于科研成果，刘克在有源/无源光波导器件、光通信用稀土掺杂玻璃材料、有源光子晶体薄膜材料、硅基光子晶体器件以及InP基微波光子滤波器等课题研究上共发表学术论文55篇。其中，30篇被SCI收录，被其它专业论文引用品40余次，42篇被EI收录；作为第一作者的论文共有24篇。申请美国发明专利2项，授权1项；申请中国发明专利2项。目前，他主持国家自然科学基金面上项目1项、211工程北京工业大学高层次人才引进及实施项目2项，参与国家自然科学基金青年项目和高等学校博士学科点专项科研基金各1项。