陈益新-集成光学与上海交大的渊源

集成光学与上海交大的渊源

陈益新

集成光学学科的建立及其发展对上海交大在1978年以后重建应用物理系起着如何在传统学科基础上开创新学科的先驱和示范作用。同时上海交大集成光学学科的成就也对我国集成光学、光电子学以及光纤通讯科学与技术以及产业的发展有着积极的推动作用,并在国际学术界产生了公认的影响。

 

集成光学是一门实验性强的应用学科,在理论方面不仅离不开一般的近代光学基础,也需要新近发展起来的导波光学理论。在实验上当然要建立在传统光学的实验原理和技巧上,同时更需要与现代的微加工技术紧密结合,创新地将已成为应用于集成电路器件的设计和工艺来实现完全新型的光波导器件,从而构成具有各种功能的集成光路器件甚至是集成光路的系统。方俊鑫教授从1979年开始在上海交大并面向上海市先后开讲了高等光学和导波光学,并招收了二十余名硕士研究生,这无疑为上海交大开展集成光学研究奠定了坚实的理论基础和提供了优秀的人才。例如,后来为交大集成光学发展并在国外作出成就的徐敬舆和景星亮等,都是这个班的学生。

 

上海交大从70年代初也开始投入集成电路微电子技术的研究,建立了一个工艺实验基地,当时称元件车间,也曾为上海地区集成电路产业的发展作出一定的贡献。但后来由于缺乏理论和设计的研究人员,并投入太小,不适应开展规模更大的集成电路的研究,没有形成学科,其进一步发展成了问题。可是这对开展集成光学的实验研究却是天赐良机。如果当年没有这样一个基地,要从零开始建立起一个微加工实验室,经费、时间和人员培训都是要困难得多。

 

70年代末期,我国开始进入改革开放的新时期,上海交大如何在新时期图新发展,创建新学科应是一个重要途径,但是什么样的学科具有强的生命力和广阔前景,并适合我们的基础和条件,这不是随手可得的,需要大量和及时的信息。适逢我国改革开放政策开始推行,那期间许多美籍校友和华人学者纷纷来华和来校访问和讲学,给我们挑选新学科提供了重要的信息和中肯的建议。其中我感到帮助最大的是田炳耕和张慎四两位。

 

1979年学校为了重建理科,我从电机系调到了刚开始筹建的应用物理系。但具体创建什么新学科并不明确。那年夏天我有机会去武汉参加了我校校友田炳耕博士有关集成光学的系列讲座。这是一次给我印象很深的启蒙。并与我自1956年以来在交大教学和科研实践中积累起来的学术思想产生了共鸣。我在多年的电气绝缘和电介质物理的教学和科研中已开始觉察到,要对绝缘材料的介电性能深刻了解和更有效地利用。例如对介质击穿的研究,最终就涉及探索材料性能与物质结构之间的内在联系。同时,由于半导体在微电子方面应用的巨大成功,国际上有一些学者和著作中已提出了分子设计和分子器件的构想。但由于当时理论上和实验上的限制,这些设想没有得到迅速实现。我感到集成光学概念和器件的提出,是继集成电路后又一个重大的新技术。因为从微电子器件到光子和光电子器件,在某种意义上看是一种质的超越。因此,虽然集成光学在当时刚起步阶段,对许多具体问题尚不十分清楚,但我相信它是一个有广阔发展空间并具有重大影响的新兴应用科学。值得我们去从事。

 

不久,在集成光学方面已享有盛名的美籍华人张慎四教授应邀来上海交大讲学,并欣然同意我校的林宗琦与我一起去美国加州圣地亚哥大学他的实验室作为访问学者从事集成光学的研究。我的课题是离子交换和质子交换铌酸锂光波导特性及制备方法,这是当时不少科学家感兴趣的新热点之一,因为这样的光波导可设计成多种光波导器件和集成器件,例如光调制器,光开关和光可调滤波器等。由于那时张慎四教授刚从圣路易斯的华盛顿大学转到加大圣地亚哥分校,实验室要重新建设。这对我却是一个好机会能直接参与新实验装置的建立。我不仅设计了离子交换的加热炉和排风装置,还亲自在机械工场进行加工、装配和调试,直到光波导样品制备和测试。虽然这已是二十年前的事了,但至今回忆起来还历历在目,这样的经验对我后来回交大的教学、科研和实验室建设工作帮助极大。

 

给我留下深刻印象的一件事是如何坚持和自信地克服研究中的困难。由于我的访问学者时间不长,开始时,我计划先重复一下别人已取得的实验结果,然后在这基础上设计和制备一种新的光波导器件。不料我的实验结果和贝尔实验室发表的结果不同。最初,我总认为在实验中有什么差错,可是经过了近三个月时间日以继夜的反复改变不同实验参数进行核对,但始终表明我的实验结果是重复的没有错。这才使我悟到也许铌酸锂晶体在硝酸铊中进行离子交换的结果可能不是唯一的。这就要求对波导样品进行化学成分和结构的分析。由于我们实验室没有这样的大型分析仪器,只有到洛杉矶附近的加州理工学院去测试,在该实验室帮助下终于发现,我制备的铌酸锂光波导样品中并没有像以往文献中报道的那样有铊离子交换进去,却是锂离子的外扩散。后来这结果发表在美国“应用科学通信”杂志上。在这之前,我往往满足于能重复别人发表的成果,特别在实验方面。所以我常常以这例子告诉学生们,要他们在自己的工作中努力去创新。

 

1981年以后,我校集成光学教师队伍和学科建设迅速发展和壮大,同时连续在两个五年中承担了多项国家“863”高技术项目,上海市地方科技项目,以及国防科工委攻关项目。其中较有代表性的如集成光学频谱分析器,由于它具有能实时获得许多不同频率的无线电信号,成为新一代电子对抗中的关键器件,又如二维空间光调制器和波导光开关阵列等,这些都是光信号处理系统和光通信系统中不可或缺的重要器件。当时在应用物理系中所占的科研项目,科研经费和成果鉴定都名列前茅。在此同时,也培养了大批的大学本科生、硕士和博士研究生,其中不少毕业生在国内外不同的岗位上做出了优秀成绩。

 

最后值得一提的是我系举办的与集成光学有关的全国培训班和主持的国内和国际学术会议,对学科的发展和贡献产生积极影响。其中较重要的如:受国家教委委托而举办的“全国集成光学短训班”,受中国电子学会委托举办的“全国毫微加工技术和应用”培训班,受中国光学学会纤维光学和集成光学分会委托主持了两届全国集成光学学术会议。2002年受中国光学学会和美国SPIE学会等委托而承办的”亚太光电子会议”(APOC); 2003年受OECC国际执行委员会委托承办的”光电子与光通信国际会议”(OECC-2003); 2005年又参与了由我校光纤所等四个上海单位承办的第五届APOC-2005会议。这一系列学术交流活动,不仅使我们从中获得及时的信息和动态,而且也扩大了我校在集成光学及光纤通信在国内和国际上的影响。我在美国时,不止一次有人问我:”陈老师,你还记得我吗?” 我真一时记不起来,原来他们都曾是我们集成光学全国短训班的学员,作为教育者这是多么大的欣慰啊。

选自 《上海交大百年物理》, 上海交通大学出版社, 2006

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