计量科学是推动基础科学发展的关键，而光学在其中的作用日益凸显。光学频率梳（简称光梳）作为近年来光学领域的前沿研究方向，由成千上万个频率间隔相等、相位稳定的激光构成，被称为光学领域最精密的“尺子”。
光梳的应用潜力巨大，例如基于光梳构建的光学原子钟是目前国际上最先进的精密计时技术，而全球最大容量的光通信系统也是通过光梳实现的。
然而，光梳目前仍面临体积大、能耗高、成本昂贵等问题，限制了其大规模应用的可能性。对此，一位北大的青年科学家带领团队致力于将光梳缩小到芯片尺度，推动“光梳芯片”进入更广阔的应用领域。
他就是北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”的杨起帆研究员。
01
“光缘”缘起
2008年，还是宁波镇海中学高中生的杨起帆获得了全国物理竞赛金奖并进入国家集训队。在选择本科专业时，他曾一度犹豫，不确定是继续走物理道路，还是选择当时更热门的金融等专业。
然而，一次到北京来参观中科院物理所的机会让杨起帆决定还是认准物理——“我了解了中国物理发展的历史脉络，也看到了中国物理学家为追求真理所作的巨大贡献，当时非常振奋，决定选择这个简单而纯粹的学科。”杨起帆回忆道。
在全国最好的北大物理学院，杨起帆并不追求做一个“十全十美”的学生，他的学习风格更为随性：“我可能喜欢的课就多上一些，感兴趣的科研项目就投入更多的精力。”
北大是拔尖人才培育的沃土，本科生科研给了不到20岁的杨起帆早早接触学科前沿的机会——大二时，他与“光学微腔”结缘，加入了刚刚回国的青年科学家肖云峰教授的课题组，成为组里最年轻的成员。“科研工作中思维的自由度深深吸引了我，它能够充分调动我的积极性。我经常与老师讨论，也常围观师兄师姐做实验，比较早地确定了科研的志向。”
2012年，光学微腔领域领军人物、加州理工学院Kerry Vahala教授来到中国访问，还是本科生的杨起帆与教授进行交流，并给他留下了深刻印象。2013年，杨起帆与燕园挥别，来到加州理工学院攻读博士学位，继续他的“光缘”之路。
“虽然Vahala教授很少直接给学生压力，但当你发现课题组里比你聪明的人还特别努力，显然也不会过得很轻松。”在导师的建议下，杨起帆选择了微腔光梳作为研究方向。
彼时，这一领域尚属新兴，研究较少，同行也不看好。“万事开头难，最初两年在科研上进展缓慢，但我还是通过爬山、滑雪等兴趣爱好保持了较为乐观的心态，在导师的鼓励和合作者的支持下，最终在芯片上产生了锁模的光梳。”这也成为了Vahala课题组最扎实、最重要的工作之一。
其后，一系列有关微腔光梳的基础研究和微型光谱仪等应用研究因此能够顺利开展，这段经历也深刻影响了杨起帆日后的科研理念与风格。
在博士后期，杨起帆开始深入思考微腔光梳领域的整体发展方向。“那时，我开始琢磨要从学生向科学家转型，每天都在思考这个领域面临的瓶颈以及如何解决这些问题。”在完成自己的课题任务的同时，他主动与其他顶尖团队展开合作。
“在当今的科学研究中，合作变得尤为重要。一个课题组的资源是有限的，只有整合多个课题组的力量，齐心协力，才能攻克领域内的关键难题。”杨起帆与合作者们深入表征多个集成光子学材料平台，构建了首个全集成的启钥式光梳芯片与赫兹级线宽的集成激光器，为光梳的大规模应用铺平了道路。
在攻读博士期间，杨起帆也多次回国、回到母校，他感受到国内科研环境有着日新月异的进步，北大科研平台的软硬件条件都在大踏步前进。2020年，新冠疫情突袭全球，正在美国作博士后研究的杨起帆决定“燕归来”——回到最熟悉的北大物理学院，成为“极端光学创新研究团队”的青年骨干力量，与优秀的同事和学生一起攀登光学研究的高峰。
02
光梳芯片中国造
杨起帆的办公室位于北京大学新燕园校区的纳光电子前沿科学中心。当被问及回国后最重要的科研成果时，他笑着指了指脚下的地板：“就在这里。”
新燕园校区的纳光楼底层即将建成纳光电子加工与测试校级公共平台。杨起帆和他的科研团队正在这里为集成光子芯片的研发全力以赴。“对于集成光子学研究来说，芯片产线相当于大科学装置，是我们的生命线。
目前，国内大多数高性能光子芯片仍需依赖国外代工，不仅流失了大量科研经费，还时刻面临被‘卡脖子’的风险。我们正在建设的自主工艺平台将使北大能够独立生产超低损耗、超高集成度的多材料复合型光子芯片，这是实现集成光梳及其相关应用的基础。”杨起帆为“中国造”的光子芯片感到自豪。
目前，杨起帆课题组已经完全依靠国内加工平台，成功制造出传输损耗低于2dB/m的光子芯片，其各项指标正逐步逼近国际顶尖水平。“当我们的平台全面运行后，预期工艺迭代速度将提升十倍以上，我相信很快就能赶超国外。”基于国产光子芯片开发的集成光梳，现已部署于国内多个合作团队，支撑着通信和计算等应用领域的研究。
去年，纳光电子前沿科学中心搬入新燕园校区。杨起帆认为，正是中心所搭建的交叉平台，为各学科与光学相关的学者提供了思想碰撞和智慧交流的机会，从而产生跨学科的创新成果。“科学的共性散落在各个专业中，因此我们需要这样一个‘搭台唱戏’的机会，既能培养复合型人才，又能催生重要的科技突破。”
03
“严”而“宽”的青年领路人
杨起帆的实验室目前有3位博士后、9位博士生和6位专业硕士生，涵盖了从基础物理到应用研究的完整链条。在学生眼中，这位年轻的导师既严谨又宽容——他对工作要求极高，但同时给予学生充分的自由，鼓励他们自主驱动学习和创新。
“也许这也是一种传承。”杨起帆回忆起本科和研究生时期，导师们都是极其严谨的科学家，每篇论文和每项实验数据都会被仔细审查，任何错误或“注水”内容都无法通过他们的关卡。如今，作为导师的他，也将这种科学态度延续到了学生的培养中。
他不喜欢查考勤，也不要求学生按时汇报，更多的是鼓励他们自主完成科研任务，精益求精——这实际上对学生提出了更高的要求。
“北大的学生智商和勤奋程度都是‘楷模’，与其严格执行教条式的打卡管理，我更看重激发他们对科研的兴趣和内驱力，希望他们能具备强烈的主观能动性，而不是事事等待导师的安排。”杨起帆如是说。
作为一名年轻教师，杨起帆经常去实验室和学生们一起讨论科研，这不仅让他能够及时掌握每个学生的进展，也帮助他在学生遇到科研瓶颈时，给予适时的建议与鼓励。不过，尽管他会给予支持，但在科研标准上，杨起帆从不“心软”。
在实验关键时刻，杨起帆常常和学生一起长时间待在实验室，共同为实验的成功兴奋，也一起绞尽脑汁“攻关升级”。
“有一次，我们在进行低噪声光梳实验时，遇到了一个始终无法排除的神秘噪声，让我们始终无法突破世界纪录。有一天，我在校园里散步时突然想到，可能是因为我们没有做‘补偿’。”兴奋的杨起帆立刻给学生打电话。新的实验很快开展，果然，他的猜想得到了验证——实验最终成功突破，获得了世界上噪音最低的光学频率梳。
十多年后回到北大，杨起帆感慨如今的北大学子所获得的资源和探索科研前沿的机会已远远超过他当年的条件，成长的速度也因此更快。他鼓励那些学有余力的本科生早些进入实验室，系统性地接受科研培养，并热情欢迎更多学生来到新燕园校区，利用先进的纳光平台开展学术实践。
在杨起帆心目中，科学精神的薪火相承是年轻科研人员的重要使命。“从饶毓泰老先生创建北大光学学科起，一代代的北大光学人不断探索耕耘，有了现在的实力和规模，开放包容一直是北大光学发展的特色。我们一定要传承好老一辈科学家的优良学风，要对得起这么好的科研条件和科研资源，尽自己的一份力量，为实现国家高水平科技自立自强作出一点贡献。”杨起帆说道。
END
来源： 蝌蚪五线谱
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