“操纵”光子 改变未来——记北京大学信息科学技术学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副教授彭超

汲晓奇

彭超

人类通过操纵电子发展了大规模集成电路、高性能芯片及通信系统，在摩尔定律下，微电子芯片已成为了人类现代科技的基石。如今，人类正在通过“操纵光子”迈向高密度光子集成，“光子芯片”或将成为下一次科技革命的突破口，成为体现国家科技实力的核心技术。

北京大学电子学系信息与通信研究所、“区域光纤通信网与新型光通信系统”国家重点实验室副教授彭超经过十多年的研究，突破了一系列面向光子集成领域需求的关键科学问题。他以非厄米光子学和拓扑光子学为研究方法，探索高密度、高性能光子集成器件与技术，为突破片上集成关键技术瓶颈、推动光子芯片发展做出了一系列前沿性贡献。

光子操纵的终极目的是把光子技术应用到生活生产实际中。彭超说，他希望自己研究的理论能变成实际运行器件的核心原理或设计方法的一部分，这是他从事光子学研究的最初愿望。

他说：“如果说做物理是一种信仰，我喜欢做物理；但是我需要让它能做出来有用的成果，将它们应用到我们的生产生活中。”

博采众长从物理尖子到科研“工匠”

高中时代的彭超就是物理尖子，尽管偏科严重，但在物理竞赛中屡获大奖，让他成功被保送北大的“中华第一系”——物理系。

本科阶段，彭超就已经有了许多研究经历，跟着北大现代光学所的老师和学长从事超快光学等方面的研究。至今让他印象深刻的是，他和师兄在“小黑屋”里做红外光学实验，从早上九点到晚上九点一直拉着窗帘。尽管做的是光学实验，但有时候坐上一整天，也看不到光。

回忆当年，彭超感慨说，那时候的自己并不完全理解纯光学物理在实际中的意义，那时候的他更想做点“实用”的东西。确定大四保研后，彭超转到电子学系从事光通信器件研究。一项完整研究需要“光机电算一体化”，这不光是要理解原理和完成测量，更需要从头到尾的完整工程训练，当时的他“如愿以偿”地做了许多硬件和软件工作。经历了一两年的偏工程研究后，彭超又开始回头做理论研究，他的博士论文，也最终选择了比较学术的“非互易光学”作为研究题目。

博士毕业之后的彭超，迎来了自己在学术上的迷茫期，在还未找到清晰的未来方向时，他应聘到爱立信公司，成为了一名无线通信系统工程师，主要负责3G基站硬件，当时电路主板上有五千多个元器件，设计完成后还要去跟工厂打交道，组织技术验证，部署测试。一年后，尽管工作非常不错，但彭超却感觉自己离科学家的梦想越来越远。为了“抢救”自己的梦想，他毅然辞去了这份还算不错的工作，申请了去日本京都大学，师从Susumu Noda教授从事博士后研究。

Susumu Noda是光子晶体领域最领先的研究者之一，他带领课题组几十年如一日，严谨地在光子晶体领域进行精细化研究，从学术研究一直到产品研发。正是这样一种严谨的科研方式，让彭超在京都大学的两年时间，开始真正地融合自己的知识背景和技能，“特别是他那里有很多的半导体微加工设备、工艺，当时在国内还没有这样好的条件”。

凭借自己良好的物理背景和数理基础，彭超很快融入了课题组，并从中学习到了许多先进工艺和设计。彭超说，那几年里，他所做的研究真正跟实际联系起来了。直到他离开日本多年后，导师当年进行的研究才获得了巨大成功，这让彭超更加清楚地认识到，做科研是一个漫长的过程。但中间每一步细致的研究，都在将设想一步步变成现实。这种厚积薄发最终获得成功的感觉，让他觉得非常振奋。

如果说，在日本感受到的是用“专注”做科研，一个项目可以“死磕”十几二十年，那么2017年，彭超去美国麻省理工学院感受到的则是另一种美式科研文化，即极度追求创新而不在细节上纠缠。“美国科学家可以不断地追求全新的东西，抛开很重的工程性步骤，要转向全新方向也非常快，具有很强的创造力。在追寻一种全新领域的时候，每铲子下去都是金子。”彭超说，在美国和日本他感受到的是两种完全不同的工作方式，而回国后，他和如今团队的风格更偏向于一种“中庸之道”，形成了自己的风格和范式。

在日本的几年博士后研究中，彭超把自己的知识结构和工艺技能重新进行了规整，回到北大之后，他又重新组织了自己的研究方向和学术上的规划。他拾起了原来在做的课题——光纤陀螺仪。这一研究一度最大的问题是他只攻克了原理，而没有形成实物，无法令人信服。花了两年时间，他终于把双偏振光纤陀螺仪工程化，做出了真正的实物原型。

在彭超看来，从一个纸面上的理论变成实物，甚至从实物变成产品甚至商品，这是一个很漫长的过程。但只有从最基本的物理原理出发，关注这个原理能否抽取出来，作为未来的某个改善人们生活或者信息科技的核心部分，带着这种“敏感性”去做，才存在将其变成有用的东西的可能性。

彭超认为，现代光电子技术，并非仅是版图、电路和代码，而是应该去发现新的材料体系、新的物理规律，叩问有没有可能在一个全新系统中构造新的可能性。“既然是这样，我们能够发现什么？新材料体系，有没有可能去做一些全新的事情？我们是做光的，我们希望去操作光子在一个体系中产生可利用的行为。但是光其实是一个很顽固的东西，改变光比改变电要难多了，它很快就逃掉了。所以需要更多的方法和手段去控制它，所以我们研究的关键点就是能不能操纵光子，最终我选择了光子晶体作为主要的研究方向之一。”

操纵光子为拓扑光子学开拓新方向

光子学是关于光的科学和技术，特别是光的产生、传导、操控、增强及探测。光子技术被广泛应用于通信系统、新型照明、高性能计算、生物医疗、加工制造、洁净能源、海洋勘探、军事科学等诸多方面，是体现国家科技实力的核心技术之一。围绕着“光的操纵”进行研究，研究的终极目的是把光子用到生活生产中的器件上面。

与硕士毕业生合影

彭超说，人类的科技是建立在相对微观的、即对微观粒子的操控程度上，而迄今以来人类操纵最完美的粒子就是电子，这几乎已经成为信息通信的基石，对电子的操纵最终形成了大规模的电路、芯片及通信系统等。

如今，人类正在围绕光子进行研究，遗憾的是，除了激光器和光纤通信里用光距传递信息外，光子的应用仍极少。“我们的目标就是把光子研究的成熟度和它在信息系统中的应用达到与电子相当的水平，所以我们就要操纵光，包括它的产生、发射，到让它产生变化，进行传输，甚至是接收探测等。”

彭超首先关注的在微小尺度实现光束缚的可能性，即高品质因子的光学腔体。它的光谱线非常干净纯粹，不仅可以用在传感领域，还可以用于光子集成领域。例如，未来的高质量激光器就可以集成在一个小小的芯片里面，这已成为光电子领域的一个大趋势。彭超与课题组分析了光子晶体体系中的光子耦合过程，深入研究了一种不同于传统光学谐振模式的特殊谐振态。这类特殊谐振态可在允许光子逃逸下实现光束缚，因此被称为连续区束缚态。彭超课题组发现，这种奇妙的束缚态可以用带权重的干涉相消效应解释，相关工作发表在《物理评论快报》上。

彭超课题组进一步注意到连续区束缚态与拓扑光子学的联系。拓扑学研究连续演变下的不变特性。2016年，诺贝尔物理学奖被授予“物质的拓扑相变和拓扑相”相关工作，肯定了拓扑性质对于理解微观奇异世界的重要作用。将拓扑方法应用于光子学领域研究，成为理解光子独特规律的有效手段。2018年，彭超与麻省理工学院Marin Soljacic教授、宾夕法尼亚大学Bo Zhen助理教授合作，对非厄米光子晶体的拓扑性质展开了直接实验研究，成功观测到非闭合的费米弧和半整数拓扑荷现象。非厄米体系具有损耗，同时也带来了独特的拓扑性质。这一工作以“成对辐射奇异点体系中体费米弧和偏振态半核的观测”为题在《科学》发表，彭超为共同第一作者。宾州州立大学物理学系Mikael Rechtsman助理教授对这项工作给出有趣的评价：“系统损耗往往被认为是一种阻碍，而这里却成为获取系统拓扑性质的有效途径。”

彭超在前期半整数拓扑荷观测结果基础上，进一步注意到了连续区束缚态的拓扑本质。连续区束缚态本质上是动量空间的偏振涡旋，也就是整数拓扑荷。他原创性地提出将多个整数拓扑荷渐进合并，进而改变了光子晶体辐射在随机工艺误差下的渐进行为，理论提出并实验观测了一类随机散射下被拓扑保护的、鲁棒的超高品质因子的谐振态，实测品质因子达到破纪录的49.5万。2019年10月，相关工作以在“拓扑保护下散射鲁棒的超高品质因子导模共振态”为题发表在《自然》上，彭超为唯一通讯作者。澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授在《自然》同期发表评述文章，评述该工作在微腔光子学、非线性光学、低功耗激光器等领域具有重要前景，被称为光束缚领域的“重大进展”（Light trapping get a boost）。

彭超进一步探寻操控拓扑荷演变实现新型光子器件的可能性。高密度、高带宽、大容量的全光互联技术潜力巨大，但链路传输能力受制于损耗。因此，实现光的定向辐射是降低损耗，提升光子集成规模的一项关键技术。为此，彭超课题组和合作者从拓扑视角出发提出了一种单向辐射的特殊谐振态。他们调控一维光子晶体，将一侧表面的成对半整数拓扑荷重新合并成整数拓扑荷，这样就形成仅向一个表面辐射能量的“单向辐射导模共振态”，实测非对称辐射比高达27.7dB，较传统光栅设计提高了2个数量级。相关工作以“拓扑保护的单向导模共振态观测”为题，于2020年4月22日在《自然》上在线发表，彭超为唯一通讯作者。

放眼未来高密度“光子芯片”成突破口

彭超经过十多年的研究，证明了非厄米光子学蕴含了奇异点与费米弧、光连续区束缚态、光子晶体面发射激光器、高对比光栅等若干新机理、新器件背后的共性原理。同时，面向光子集成领域需求和关键科学问题，他以拓扑光子学为研究方法，一步步探索着高密度、高性能片上的集成器件与技术。

在彭超看来，光子学具有与微电子学相似的发展路径，即从分立器件向集成系统演进，从单一功能器件向复杂片上系统演进。

近50年来，电路集成度每18个月翻一番（摩尔定律），芯片功能得到几何级数的增强，高集成度、高性能微电子芯片成为了现代科技的基石。可以预见的是，高密度光子集成也会带来同样的变革性效果。

一旦形成高度集成的光子片上系统，即构造出“光子芯片”，其在功能、功耗、成本、封装难度、可靠性、规模化等方面将具有巨大优势。光子芯片速度快、功耗低、操控维度丰富的特长若与微电子芯片计算逻辑能力强、体系成熟的优势相结合，就能发展出高密度光电混合集成技术，这将有望成为下一次科技革命的突破口。

如今，围绕突破片上集成关键技术瓶颈、推动光子芯片发展的问题，彭超正在依托前期研究经验及所在国家重点实验室设备条件，运用拓扑光子学方法研究非厄米光子体系的一般规律，探索并实现面向片上集成的新型光子器件。

从一名“物理尖子”成长为一个“科研工匠”，从实验室里曾不知为何到如今引领探索国际前沿难题，彭超说，自己走过弯路，也尝试过许多别的东西，甚至面临过IT、互联网等热门行业领域的诱惑，但他最终回到了北京大学，坚定地走自己的学术道路。他说，这就是他热爱的、有意义的工作。彭超认为，不能以功利的方式做科研，科研不只是一门“讨饭”的行当。科研必须耐得住寂寞，必须做实事，与国家的利益结合起来。

作为年轻的团队负责人，彭超在带领团队进行科研时，总希望以一种更积极的方式尽可能地让他的研究生和团队成员都得到足够的训练。“我们的学生，他来的时候只有满腔的热情，如果没有一个明确的方向和引导，当热情没了，他就会离开这个领域，甚至会建立一种无法在科研中取得成果的消极观念。”

他认为，必须给团队成员和学生足够的自由度，但在真正出现问题的时候要一起去参与解决，一起成长，而不是高高在上。面对层出不穷的科研困难，甚至99.5%乃至于99.9%的科研最后都证明是不可能实际使用的，他的想法是“那又怎么样？你至少证明了某条路是错的”。“你可以做不出来，甚至做不好，但是一定要以靠谱的方式去做，得出来的就是一个靠谱的结论，行就是行，不行就是不行，是客观存在的事实。”彭超说，这是他科研的原则。