體察入“微”，“光”照前程
——記國家“青年千人計劃”特聘專家、天津大學教授程振洲博士

文/肖延勝

從中國春秋時期的小孔成像到當今的量子光學，人們一直在光的世界中探尋科學的奧妙。隨著現代科技的發展，微納光學逐漸走進科研人員的視野中，成為當前最為熱點的研究方向之一。作為微納光學的一個分支，中紅外集成光學近年來得到了科學家們的廣泛關注。在中紅外波段（波長2~20μm），人們可以利用紅外吸收光譜技術對物質的分子進行定性和定量的分析，因此中紅外光子學在生物化學分子檢測、醫學檢驗技術、生態環境監測等方面具有廣泛的應用價值。將中紅外光子學與集成光學相結合，可以在成本、能耗、尺寸等方面為中紅外光學器件帶來革命性的突破，極大地拓寬其在航空航天、疾病監測、人工智能、物聯網等新興領域的應用。天津大學教授程振洲博士多年來一直致力于中紅外集成光學領域的研究，為中紅外集成光學奉獻自己的光和熱。

科研成果澆灌光學之花

作為新興科學領域，中紅外集成光學尚處于發展階段。在眾多中紅外光學材料中，四族材料（例如石墨烯、硅、鍺）不僅具備出色的物理性質，而且具有價格低、器件集成度高、制作工藝與微電子工業中成熟的CMOS技術相兼容等優點，因此四族材料光子集成器件的研究對推動中紅外集成光學的發展非常重要。程振洲博士深知這一點，在基于四族材料的中紅外集成光學領域進行了大量而深入的研究。

2013年程振洲教授 淵左冤獲得香港青年科學家獎

石墨烯被認為是一種極具應用前景的紅外光電材料。然而由于該材料的單原子層特性，當光垂直入射于石墨烯時，光與石墨烯的相互作用很弱，僅有2.3%的入射光可以被石墨烯吸收。同時，多層石墨烯結構不僅會改變材料的能帶特性，導致其無法實現對長波段光的有效吸收，而且技術上很難實現對石墨烯層數的精確控制，因此極大地限制了石墨烯在光電器件中的廣泛應用。為了使石墨烯這種極具前景的材料能早日應用于中紅外集成光學領域，程振洲博士進行了多項創新性的嘗試，提出采用波導倏逝波耦合的方法來增強光與石墨烯的相互作用?；谒岢龅姆椒?，程振洲博士與合作伙伴們不僅實現了石墨烯對光的有效吸收，還揭示了波導中傳播光與集成的石墨烯的作用機制，明確了片上集成的石墨烯光電探測器件的物理機理。目前該研究工作已被國內外同行在Nature等期刊和國際會議中被廣泛引用，美國國家工程院院士、美國加州大學伯克利分校張翔教授在Nature Photonics上對此項工作給予了正面評價。

除石墨烯之外，硅和鍺也是兩種極具發展前景的中紅外材料。由于硅和鍺在紅外波段具有很寬的透明窗口，非常適用于制作中紅外集成光路。然而傳統的硅（鍺）基集成光路應用于中紅外波段時，底部的氧化埋層對中紅外光的吸收損耗極大，限制了中紅外集成光路的發展。找到一種新的方法實現寬帶寬、低損耗的光學集成平臺，開發適用于中紅外波段的光子集成器件，是推動中紅外集成光學發展的一個重要的問題。為解決上述問題，程振洲博士創新性地提出一種懸空薄膜結構，基于這一結構分別實現了硅基和鍺基兩種中紅外集成光路，并且開發了一種新型的聚焦亞波長光柵耦合器用于中紅外波導的光學耦合。目前程振洲博士所提出的懸空薄膜器件和聚焦亞波長光柵耦合器已經被國際多個硅基光子學課題組所采用，相關工作被國內外同行在Nature等期刊和國際會議中被廣泛引用，并被給予高度評價。

滿眼生機轉化鈞，天工人巧日爭新。程振洲博士利用自己的所學和科研經驗，在創新科研的道路上砥礪前行。

桃李芬芳助力光學發展

2017年，作為中紅外集成光學領域杰出的青年學者，程振洲博士入選國家“千人計劃”青年項目。目前程振洲博士主持國家自然科學基金青年基金項目1項，日本學術振興會科研費項目1項，在Na原ture Photonics、Nature Communications等國際光學期刊上發表SCI論文50余篇，會議邀請報告20余篇，國際會議論文40余篇，并獲日本專利1項，中國專利4項。本著對祖國深深的熱愛，程振洲博士辭去在日本東京大學的終身教職，回到天津大學擔任精密儀器與光電子工程學院“北洋學者”教授。

在“千人計劃”青年項目、國家自然科學基金和天津大學“北洋學者英才計劃”的大力支持下，程振洲博士回國后積極組建團隊，并建立了光子芯片實驗室（www.photonic-chip-lab.com）。光子芯片實驗室通過開發新型的集成光路和納米光子器件，致力于解決生物醫學、環境科學、信息科學中的重要科學問題，并針對國家和社會發展中所面臨的挑戰提供前瞻性的解決方案。目前程振洲博士帶領團隊利用石墨烯、硅基和鍺基材料設計開發出了多種新型的光子芯片，在微納米尺度上研究光與物質的相互作用，致力于探索基于光子芯片的分子傳感技術，此項研究在疾病診斷設備、人工智能、物聯網等領域中極具應用前景，將為生物化學傳感和信息技術帶來革命性的影響。

與此同時，光子芯片實驗室還將為社會培養具有國際視野及領導力的科技人才。程振洲博士希望通過他的努力和他親身的經歷，能讓更多人加入到他的團隊中，為光子芯片的研究開發注入新思路，促進新發展。千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。在程振洲博士的帶領下，天津大學光子芯片實驗室必將走進新的里程。