立足物理、探索光电

未知的世界，充满了无限的可能。但原创性或颠覆性的研究永远是科研工作者的“星辰大海”，在物理与光电子器件领域开拓前行的江伟，亦是如此。“物理给了我们穿透器件表象，发现深层次问题，并提出新设想的能力；但从设想到理论、实验，往往是一个漫长、艰辛的征程。”这是深耕探索的必然，也是江伟始终如一的坚持。

在光电子器件研究中，江伟早期专注于光子晶体等微纳结构的光物理特性。后期研究逐渐扩展到有源器件后，器件中包含的微观电子过程与热学过程又促使他投入了相关的电子、热物理过程研究。在这些研究中，他坚持以物理思想驱动创新研究，通过仿真计算初步验证物理猜测并完成设计，最后付诸实验。江伟根据仿真与实验结果修正自己的物理思想，经过若干循环完成研究。通过这个过程，积累了对硅基光子器件、光子晶体等领域光、电、热物理过程的深入领悟。

 

 

创新研究——基于波导超晶格的光学相控阵

科研路上，江伟从以兴趣为出发点的研究逐渐走向兴趣与应用牵引相结合的研究，走出了自己的道路。近期，江伟课题组的若干重要科研成果，都是在应用牵引下发现基础研究层面的挑战性问题，进而探索研究，基于波导超晶格的光学相控阵就是在这样的背景下诞生的。

光学相控阵可以实现非机械式光束扫描，在激光雷达、无线光通信、扫描成像等领域有广泛的应用前景。然而光学相控阵长期以来由于阵列单元（阵元）间距大于波长，较难达到类似射频相控阵的性能，应用受到较大限制。2015年，江伟课题组提出并实现了基于波导超晶格的半波长间距的低串扰、高密度波导集成；并提出其用于实现半波长间距的光学相控阵的设想。此后，江伟课题组发展了新型光学相控阵理论并完成了实验。针对出现的问题，江伟课题组通过深入研究发现均衡抑制次光束与串扰的理论依据，并最终找到了一种波导超晶格结构可使相应的光学相控阵性能比较接近理想的半波长阵元间距的均匀光学相控阵的性能。在此基础上，课题组开始了实验研究，克服资源、人员有限等困难，搭建了专用测试系统，最终完成了实验。

突破瓶颈——基于人工神经网络的相位校准技术

基于人工神经网络的光学相控阵相位校准技术，就是江伟课题组的一次重大突破。他们提出的基于人工神经网络的相位校准技术，利用神经网络构建出由光学相控阵出射光束角分布到N个阵元相位分布的逆对应关系。但他们在研究过程中发现，由于逆对应关系可能存在多个解，导致出现了相位混淆，进而使得神经网络训练过程不收敛。对相关器件物理问题进行深入研究后，课题组鉴别出两类相位混淆的物理机制：共轭混淆与周期混淆。针对共轭混淆，采用相位掩模后二次测量出射光束角分布的方法，而对于周期混淆则引入保护周期性和连续性的评估函数。在同时克服了这两种相位混淆后，所构建的神经网络经过训练，其各结点偏置和权重最终能收敛到恰当的数值，并获得了最优的相位补偿结果。实验结果表明，仅测量两次远场光束角分布即可实现相位校准。此外，校准后的次光束强度较低，并且其强度的收敛偏差较小，即校准后的光束质量以及校准的重复性均达到了较优的水平。

江伟课题组探索的人工神经网络的相位校准技术，应用潜力也较为广泛，对光束相干合成、图像相位获取、片上相干光学器件等技术领域的发展均可能有较大助益。

另辟蹊径——高消光比的并联双跑道型谐振腔调制器 

硅光调制器通常将谐振腔设置为临界耦合状态，以提高器件的关键性能（如消光比）。但因临界耦合状态稳定性较差，实际使用中器件的性能并不尽如人意。为了解决相关问题，江伟课题组经过研究，绕开了传统的研究路线，提出了并联双跑道型谐振腔调制器，他们将两个跑道型谐振腔在一个波导的两侧并联，通过两个谐振腔的光场与中央波导的光场的干涉，实现消光。这种器件结构无需临界耦合，在较宽泛的强耦合条件下，均可以通过电压调控折射率，实现较高的消光比。理论研究表明，即使器件的参数出现了较大偏差，仍然能实现较高的消光比。虽然江伟课题组约10年前就形成了初步设想，但实现过程颇为曲折。并联双微谐振腔调制器的实验较为复杂。课题组克服了经费不足，且拨付迟缓等问题，利用有限的资源，逐渐搭建起一套实验平台，经历了多个研究生、三轮以上的技术迭代，课题组终于完善了相关实验。

作为科研人，江伟一直立足物理理论，以创新探索为目标，以科技应用为导向，带领课题组，兢兢业业，披荆斩棘，在器件研究领域，硕果累累。当然，他也仍有许多科研设想尚未实现。未来的他，将继续以物理指导创新，在此基础上发展专门的仿真手段与实验工具，并以此为切入点，获取更多的突破。（南京大学现代工程与应用科学学院供稿）

（责编：张若涵）