体察入“微”，“光”照前程——记国家“青年千人计划”特聘专家、天津大学教授程振洲博士

文/肖延胜

从中国春秋时期的小孔成像到当今的量子光学，人们一直在光的世界中探寻科学的奥妙。随着现代科技的发展，微纳光学逐渐走进科研人员的视野中，成为当前最为热点的研究方向之一。作为微纳光学的一个分支，中红外集成光学近年来得到了科学家们的广泛关注。在中红外波段（波长2~20μm），人们可以利用红外吸收光谱技术对物质的分子进行定性和定量的分析，因此中红外光子学在生物化学分子检测、医学检验技术、生态环境监测等方面具有广泛的应用价值。将中红外光子学与集成光学相结合，可以在成本、能耗、尺寸等方面为中红外光学器件带来革命性的突破，极大地拓宽其在航空航天、疾病监测、人工智能、物联网等新兴领域的应用。天津大学教授程振洲博士多年来一直致力于中红外集成光学领域的研究，为中红外集成光学奉献自己的光和热。

科研成果浇灌光学之花

作为新兴科学领域，中红外集成光学尚处于发展阶段。在众多中红外光学材料中，四族材料（例如石墨烯、硅、锗）不仅具备出色的物理性质，而且具有价格低、器件集成度高、制作工艺与微电子工业中成熟的CMOS技术相兼容等优点，因此四族材料光子集成器件的研究对推动中红外集成光学的发展非常重要。程振洲博士深知这一点，在基于四族材料的中红外集成光学领域进行了大量而深入的研究。

2013年程振洲教授 渊左冤获得香港青年科学家奖

石墨烯被认为是一种极具应用前景的红外光电材料。然而由于该材料的单原子层特性，当光垂直入射于石墨烯时，光与石墨烯的相互作用很弱，仅有2.3%的入射光可以被石墨烯吸收。同时，多层石墨烯结构不仅会改变材料的能带特性，导致其无法实现对长波段光的有效吸收，而且技术上很难实现对石墨烯层数的精确控制，因此极大地限制了石墨烯在光电器件中的广泛应用。为了使石墨烯这种极具前景的材料能早日应用于中红外集成光学领域，程振洲博士进行了多项创新性的尝试，提出采用波导倏逝波耦合的方法来增强光与石墨烯的相互作用。基于所提出的方法，程振洲博士与合作伙伴们不仅实现了石墨烯对光的有效吸收，还揭示了波导中传播光与集成的石墨烯的作用机制，明确了片上集成的石墨烯光电探测器件的物理机理。目前该研究工作已被国内外同行在Nature等期刊和国际会议中被广泛引用，美国国家工程院院士、美国加州大学伯克利分校张翔教授在Nature Photonics上对此项工作给予了正面评价。

除石墨烯之外，硅和锗也是两种极具发展前景的中红外材料。由于硅和锗在红外波段具有很宽的透明窗口，非常适用于制作中红外集成光路。然而传统的硅（锗）基集成光路应用于中红外波段时，底部的氧化埋层对中红外光的吸收损耗极大，限制了中红外集成光路的发展。找到一种新的方法实现宽带宽、低损耗的光学集成平台，开发适用于中红外波段的光子集成器件，是推动中红外集成光学发展的一个重要的问题。为解决上述问题，程振洲博士创新性地提出一种悬空薄膜结构，基于这一结构分别实现了硅基和锗基两种中红外集成光路，并且开发了一种新型的聚焦亚波长光栅耦合器用于中红外波导的光学耦合。目前程振洲博士所提出的悬空薄膜器件和聚焦亚波长光栅耦合器已经被国际多个硅基光子学课题组所采用，相关工作被国内外同行在Nature等期刊和国际会议中被广泛引用，并被给予高度评价。

满眼生机转化钧，天工人巧日争新。程振洲博士利用自己的所学和科研经验，在创新科研的道路上砥砺前行。

桃李芬芳助力光学发展

2017年，作为中红外集成光学领域杰出的青年学者，程振洲博士入选国家“千人计划”青年项目。目前程振洲博士主持国家自然科学基金青年基金项目1项，日本学术振兴会科研费项目1项，在Na原ture Photonics、Nature Communications等国际光学期刊上发表SCI论文50余篇，会议邀请报告20余篇，国际会议论文40余篇，并获日本专利1项，中国专利4项。本着对祖国深深的热爱，程振洲博士辞去在日本东京大学的终身教职，回到天津大学担任精密仪器与光电子工程学院“北洋学者”教授。

在“千人计划”青年项目、国家自然科学基金和天津大学“北洋学者英才计划”的大力支持下，程振洲博士回国后积极组建团队，并建立了光子芯片实验室（www.photonic-chip-lab.com）。光子芯片实验室通过开发新型的集成光路和纳米光子器件，致力于解决生物医学、环境科学、信息科学中的重要科学问题，并针对国家和社会发展中所面临的挑战提供前瞻性的解决方案。目前程振洲博士带领团队利用石墨烯、硅基和锗基材料设计开发出了多种新型的光子芯片，在微纳米尺度上研究光与物质的相互作用，致力于探索基于光子芯片的分子传感技术，此项研究在疾病诊断设备、人工智能、物联网等领域中极具应用前景，将为生物化学传感和信息技术带来革命性的影响。

与此同时，光子芯片实验室还将为社会培养具有国际视野及领导力的科技人才。程振洲博士希望通过他的努力和他亲身的经历，能让更多人加入到他的团队中，为光子芯片的研究开发注入新思路，促进新发展。千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。在程振洲博士的带领下，天津大学光子芯片实验室必将走进新的里程。