王兴军：攻克“硅光难题”，在实现科技自立自强的道路上勇毅前行

2023年1月13日，网易新闻揭晓“2022中国十大科技创新奖”，旨在表彰2022年度中国振奋人心的科研创新成果，大力弘扬科学精神。其中北京大学电子学院王兴军教授团队的成果“新型硅基光电子片上集成系统攻克硅光难题”名列其中。

王兴军近照

“小芯片、大乾坤，能够在专业领域为社会作一点点创新性的贡献并得到认可，是很荣幸的。”得知获奖消息后的王兴军在朋友圈里这样写道。他的团队攻克了怎样的“硅光难题”？未来光电芯片的大趋势如何？如何将教学育人融入科研之中以实现教育的真正价值？带着这些问题，融媒体中心对王兴军进行专访，听他讲述攻关硅基光电子学的心路历程。

小“身材”大集成

习近平总书记指出，光电子信息产业是广泛应用的战略高技术产业，也是我国有条件率先实现突破的高技术产业。光电子在国家战略发展层面上占有重要地位，王兴军的团队就是围绕光电子集成芯片与信息系统领域攻坚克难的。

王兴军告诉记者，近20年来，硅基光电子集成芯片技术（硅光）借助成熟的CMOS工艺，已经实现了可以大规模集成传统光学系统所需的功能器件，极大地提升片上信息传输和处理的速度和容量，是世界光电子领域竞争的主阵地。随着数据中心、通信系统、高性能计算、自动驾驶等应用市场的拓展和系统规模的大幅度提升，硅光芯片的系统架构正向多通道和高并行的架构演进，这就产生了对低成本、高稳定性的并行光源的需求。“我们都知道，硅材料本身是不发光的，所以硅基激光器的实现一直是世界性的难题，如何在硅基光电子集成芯片上研发出多路并行的硅基光源是这个领域的最大瓶颈之一，也是我们团队近些年来重点突破的问题。”王兴军说道。

光梳又叫光学频率梳，因其用途广泛，一直以来都是国际光学界的重要研究热点。“美国国家标准与技木研究院John Lewis Hall教授和德国马普量子光学所的Theodor Hänsch教授因为在光梳方面作出的杰出贡献，拿过2005年诺贝尔物理学奖。”王兴军介绍说，近年来，芯片级的光梳（微腔光梳）由于紧凑的尺寸和低廉的成本极大拓展了其应用范围，但大部分基于微腔光梳的系统级应用中，仅有微腔本身为集成器件，其余的组成部分均未实现集成。

经过三年多的刻苦攻关，王兴军团队和合作者采用硅基多材料体系异质集成方案，实现目前国际上最低阈值功率的片上光学频率梳光源，并系统性地突破了其集成光源泵浦、启钥式开关、长时间自反馈稳定等一系列的关键技术，给硅基光电子集成芯片提供了所需的“光源大脑”。2022年5月18日，王兴军团队与合作者在《自然》（Nature）杂志在线发表文章，结合硅基光电子集成技术工业上成熟可靠的集成解决方案，完成大规模集成系统的高效并行化，这也是在国际上首次演示了由微腔光梳驱动的硅基光电子集成系统。

该文章在《自然》官网在线发表

“论文上线后，《自然》官网两天内下载量超过了10,000次，这是当时除了新冠疫情研究外下载量最高的文章。”王兴军告诉记者，这项高集成度的硅基光电子系统，实现了T比特速率微通信和亚GHz微波光子信号处理，展示了高密度多维复用的微通信和微处理芯片级集成系统的全新架构，开创了下一代多维硅光集成微系统子学科的发展。“相关研究成果有望直接应用于数据中心、5/6G通信、自动驾驶、光计算等领域，为这些领域更好更快发展注入‘芯’动能。”在这个工作的基础上，他的团队在2023年再次取得新的进展，他们报道了一种基于光子神经网络的超高算力密度硅基集成光子处理器，攻克了多波长并行光计算系统校准和超高精度权重加载两大技术难题，这项成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）；提出了一种基于并行混沌熵源的极简硅基片上并行激光雷达系统架构，实现了目前最高精度为2mm的并行探测和大于30dB的抗干扰抑制比，为下一代高性能抗干扰激光雷达提供了一种革命性解决方案，这项成果发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。

集成微腔光梳驱动的硅基集成光电子片上系统图

立德树人是教师的根本使命

“科研做得好，课又讲得好”是学生们对王兴军的评价。作为获得“北京大学优秀教师”“北京大学优秀共产党员”“北京大学教学优秀奖”“北京大学教学成果奖”“学会/北大优秀博士论文指导教师”等多项荣誉的学者，王兴军始终把“教师”的角色看得很重。“坚持教书和育人相统一，坚持言传和身教相统一”是王兴军的为师之道。

王兴军主持多门本科生和研究生课程，教学成绩优异。其中，他所主讲的本科生专业核心课程“光电子学”，注重在讲授基础理论的同时，培养学生理论联系实际的能力。针对光电领域智能化、集成化的趋势，王兴军为本科生新开设了“集成光电器件与系统在人工智能中的应用”和“纳米与光电集成电路”两门课程，旨在让同学们尽快接触领域的前沿技术、了解发展趋势，从而更好地投身研究生阶段的科学探索中。在研究生阶段的课程中，王兴军开设的“硅基光电子学”的教学成绩同样优异。2018年至2022年，王兴军还受到中国科学院大学的邀请，参与讲授研究生课程“光电子学”，这门课程在2021年被评为中国科学院大学优秀课程。

在王兴军心中，教材编写是探索科教融合的有效途径。近两年，他结合多年教学的经验和学术科研前沿知识，主编了《硅基光电子集成技术——光波导放大器与激光器》和《硅基微波光子集成技术》两本教材。前者目前已出版，入选工业和信息化部“十四五”规划教材立项资助，并获得电子工业出版社优秀作译奖。

《硅基光电子集成技术——光波导放大器与激光器》书影

培养一大批服务国家重大战略需求的高水平创新型人才是王兴军在多年的教师生涯中所始终追寻的。作为青年长江学者的优秀代表，他曾在《中国高等教育》期刊上发表题为《立德树人是青年学者历史使命》的文章。目前，王兴军担任电子学院党委副书记和主管教学工作的副院长，他积极组织参与学院教育教学综合改革，将思政教育融入到全过程育人中。在重视科研能力的同时，王兴军也格外重视学生的品德与科研作风建设，“要爱党、爱国、爱人民，在科学探索中‘求得真学问、练就真本领’”，这是王兴军对学生的要求。

王兴军与学生们参加支部活动

因材施教、做到有针对性的培养，这是王兴军对自己的要求。在他看来，北大的每一个学生都是非常优秀且独一无二的，他们各有专长、各有特点，只有观察到学生的兴趣和特点因材施教，才能让每一棵“好苗子”长成根基稳固的“参天大树”。在他的组里，有的博士生安静内向、有的开朗活泼，王兴军会在与学生深入沟通学术兴趣的基础上，根据每个人的性格和擅长去安排课题和日常工作，鼓励学生挑战“舒适区”，在更广阔的空间不断提升综合能力。

王兴军参加学生的毕业典礼

舒浩文是王兴军的第一个博士生，在跟随王兴军攻读博士学位后，他入选全国“博士后创新人才支持计划”和北大博雅博士后继续在团队挑重担。2023年2月，由于学术成果斐然，舒浩文以助理教授（研究员）的身份正式入职北大。本来，舒浩文在博士毕业后可以找到很多很好的岗位，但他觉得和老师一起攻关的课题很有意思，毅然选择留在组里做博士后。

在舒浩文的心目中，王兴军并非传统意义上的“严师”，他很能发掘学生的“兴趣点”，鼓励大家进行大胆假设和尝试，经常就一个想法带领各个方向的同学共同进行多角度的仔细论证。“这使得我们在研究过程中能够天马行空地自由探索，并且整合课题组内的集体智慧高效地完成想法论证。”舒浩文说道。在跟随王兴军学习期间，舒浩文经常有机会与相关领域的专家学者进行交流，“王老师很看重大家的沟通交流和组织能力，积极为大家创造与专业学者接触的机会，这对我们尽早尽快接触学术前沿大有裨益”。

为国家和社会培养创新型高层次人才是王兴军的教学使命。“尽管一开始实验空间有限，但是这里有最好的学生，有最好的学术支撑平台作后盾，这是每一个科研工作者梦寐以求的。”王兴军说道。

在他的不懈努力下，他的团队结出了累累硕果：1人获得中国通信学会优秀博士论文、1人获得中国光学工程学会创新论文奖（优博）、1人获得中国电子学会优秀硕士论文、3人获得北京大学优秀博士和硕士论文、2人获得全国微波光子学术新星（每年全国5人）、2人获得“光波分复用之父”厉鼎毅纪念奖学金提名（每年全球10名）、6人获得国家奖学金……他的学生和博士后的名字越来越多地出现在学术顶刊和顶级会议中，成为了光电领域冉冉升起的新星。王兴军告诉记者，在立德树人方面最令他骄傲的事是目前他培养毕业的3名博士生都品学兼优。“他们中有两位分别获得‘中国通信学会优博’‘中国光学工程学会优博’的荣誉，另一位也进入到了中国电子学会最后的终评，在等待结果公布。”谈到学生，王兴军脸上露出欣慰的微笑。

从基础理论到系统应用的飞跃

2023年2月21日下午，中共中央政治局就加强基础研究进行第三次集体学习。习近平总书记在听取北京大学校长、中国科学院院士龚旗煌教授的讲解和建议后，作了重要讲话。他指出，加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。

夯实基础理论，突破关键技术，打通系统应用“最后一公里”——多年以来，王兴军在北大这方科研沃土上循着这条道路不断探索。王兴军认为，硅光研究是非常能体现基础理论、关键技术和系统应用全链条发展的一个新的学科方向。它既有硅基发光、片上损耗等最本质的科学问题，也有大规模硅基光电集成等需要攻克的关键核心技术，以及光通信、光传感、微波光子、光计算等产业的广泛应用前景。同时，它也是一个光学、电子、通信、材料、物理等多学科交叉融合不断发展的结果，是国际科技竞争向基础前沿前移的重要领域。总书记的重要讲话让王兴军很受鼓舞，他表示，未来将继续面向国家重大需求刻苦攻关，努力实现更多“从0到1”的突破原创性成果，攻克更多“卡脖子”难题，实现科技自立自强，为我国信息技术领域创新驱动发展战略作出北大人的贡献。

好的成果离不开重量级的科研平台。王兴军团队所在的平台是北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，这是我国光通信领域的第一个国家重点实验室。近年来，光电子学作为实验室一个重要的发展方向，国家投入数千万元经费建成了光子芯片加工平台，这些都为团队的硅基光电子集成芯片研究提供了良好的基础保障。团队所依托的另一个平台是北京大学教育部纳光电子前沿科学中心，这个中心的创办就是旨在打破学科界限和院系壁垒，融合集成纳光子与微电子的优势，开展基础性、前瞻性、多学科深度交叉融合的创新研究，目前中心已经成为国际纳光电子学研究方面的重要力量。两大平台具有雄厚的科研实力和完备的实验条件，为王兴军的团队开展集成光电子以及与其他学科的交叉研究提供了深度融合的平台。2021年，王兴军依托该平台与物理学院肖云峰教授和龚旗煌院士合作，在纳米尺度单颗粒检测中取得重要进展，当年，这项成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

2021年，北京大学成立长三角光电科学研究院，王兴军担任光电子芯片与信息系统研究室主任，研究院的成立促进了王兴军团队的成果转化，而技术转化又为服务国家战略需要和企事业单位产品需求成果提供了重要支撑。在这里，王兴军的团队搭建了从光电子、微电子芯片到模块的全流程测试和封装平台。“一方面，平台的建设可以推动团队自研光电子芯片与模块的成熟度提升，目前，部分技术已经在企业和研究院所实现成果转化，为相关单位提供了所需的光电芯片；另一方面，平台也已经为20余家单位提供了定制化的光电封装和测试服务。可以说，这些工作让我们探索了实现芯片从基础理论到应用的道路。”

北京大学长三角光电科学研究院

追求真理、勇攀高峰，这是党中央对新时代科学工作者的期望，也是一代又一代中国光电子学人所始终秉持的科学精神。“生逢新时代，有这样好的科研条件，我们必须孜孜不倦、努力奋斗，跑得慢了就是落后。”在采访的最后，王兴军这样说道。在突破“卡脖子”技术的道路上，在争取科技自立自强的奋斗中，他和他的团队将不断奋勇向前。