計量科學是推動基礎科學發展的關鍵，而光學在其中的作用日益凸顯。光學頻率梳（簡稱光梳）作為近年來光學領域的前沿研究方向，由成千上萬個頻率間隔相等、相位穩定的雷射構成，被稱為光學領域最精密的「尺子」。
光梳的套用潛力巨大，例如基於光梳構建的光學原子鐘是目前國際上最先進的精密計時技術，而全球最大容量的光通訊系統也是透過光梳實作的。
然而，光梳目前仍面臨體積大、能耗高、成本昂貴等問題，限制了其大規模套用的可能性。對此，一位北大的青年科學家帶領團隊致力於將光梳縮小到芯片尺度，推動「光梳芯片」進入更廣闊的套用領域。
他就是北京大學物理學院現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室和納光電子前沿科學中心「極端光學創新研究團隊」的楊起帆研究員。
楊起帆在新燕園校區的辦公室
01
「光緣」緣起
2008年，還是寧波鎮海中學高中生的楊起帆獲得了全國物理競賽金獎並進入國家集訓隊。在選擇本科專業時，他曾一度猶豫，不確定是繼續走物理道路，還是選擇當時更熱門的金融等專業。
然而，一次到北京來參觀中科院物理所的機會讓楊起帆決定還是認準物理——「我了解了中國物理發展的歷史脈絡，也看到了中國物理學家為追求真理所作的巨大貢獻，當時非常振奮，決定選擇這個簡單而純粹的學科。」楊起帆回憶道。
在全國最好的北大物理學院，楊起帆並不追求做一個「十全十美」的學生，他的學習風格更為隨性：「我可能喜歡的課就多上一些，感興趣的科研計畫就投入更多的精力。」
北大是拔尖人才培育的沃土，本科生科研給了不到20歲的楊起帆早早接觸學科前沿的機會——大二時，他與「光學微腔」結緣，加入了剛剛回國的青年科學家肖雲峰教授的課題組，成為組裏最年輕的成員。「科研工作中思維的自由度深深吸引了我，它能夠充分調動我的積極性。我經常與老師討論，也常圍觀師兄師姐做實驗，比較早地確定了科研的誌向。」
2012年，光學微腔領域領軍人物、加州理工學院KerryVahala教授來到中國存取，還是本科生的楊起帆與教授進行交流，並給他留下了深刻印象。2013年，楊起帆與燕園揮別，來到加州理工學院攻讀博士學位，繼續他的「光緣」之路。
「雖然Vahala教授很少直接給學生壓力，但當你發現課題組裏比你聰明的人還特別努力，顯然也不會過得很輕松。」在導師的建議下，楊起帆選擇了微腔光梳作為研究方向。
彼時，這一領域尚屬新興，研究較少，同行也不看好。「萬事開頭難，最初兩年在科研上進展緩慢，但我還是透過爬山、滑雪等興趣愛好保持了較為樂觀的心態，在導師的鼓勵和合作者的支持下，最終在芯片上產生了鎖模的光梳。」這也成為了Vahala課題組最紮實、最重要的工作之一。
其後，一系列有關微腔光梳的基礎研究和微型光譜儀等套用研究因此能夠順利開展，這段經歷也深刻影響了楊起帆日後的科研理念與風格。
楊起帆與好友在美國優勝美地國家公園半圓頂
在博士後期，楊起帆開始深入思考微腔光梳領域的整體發展方向。「那時，我開始琢磨要從學生向科學家轉型，每天都在思考這個領域面臨的瓶頸以及如何解決這些問題。」在完成自己的課題任務的同時，他主動與其他頂尖團隊展開合作。
「在當今的科學研究中，合作變得尤為重要。一個課題組的資源是有限的，只有整合多個課題組的力量，齊心協力，才能攻克領域內的關鍵難題。」楊起帆與合作者們深入表征多個整合光子學材料平台，構建了第一個全整合的啟鑰式光梳芯片與赫茲級線寬的整合雷射器，為光梳的大規模套用鋪平了道路。
在攻讀博士期間，楊起帆也多次回國、回到母校，他感受到國內科研環境有著日新月異的進步，北大科研平台的軟硬體條件都在大踏步前進。2020年，新冠疫情突襲全球，正在美國作博士後研究的楊起帆決定「燕歸來」——回到最熟悉的北大物理學院，成為「極端光學創新研究團隊」的青年骨幹力量，與優秀的同事和學生一起攀登光學研究的高峰。
02
光梳芯片中國造
楊起帆展示實驗室自主加工的光子芯片
楊起帆的辦公室位於北京大學新燕園校區的納光電子前沿科學中心。當被問及回國後最重要的科研成果時，他笑著指了指腳下的地板：「就在這裏。」
新燕園校區的納光樓底層即將建成納光電子加工與測試校級公共平台。楊起帆和他的科研團隊正在這裏為整合光子芯片的研發全力以赴。「對於整合光子學研究來說，芯片產線相當於大科學裝置，是我們的生命線。
目前，國內大多數高效能光子芯片仍需依賴國外代工，不僅流失了大量科研經費，還時刻面臨被‘卡脖子’的風險。我們正在建設的自主工藝平台將使北大能夠獨立生產超低損耗、超高整合度的多材料復合型光子芯片，這是實作整合光梳及其相關套用的基礎。」楊起帆為「中國造」的光子芯片感到自豪。
目前，楊起帆課題組已經完全依靠國內加工平台，成功制造出傳輸損耗低於2dB/m的光子芯片，其各項指標正逐步逼近國際頂尖水平。「當我們的平台全面執行後，預期工藝叠代速度將提升十倍以上，我相信很快就能趕超國外。」基於國產光子芯片開發的整合光梳，現已部署於國內多個合作團隊，支撐著通訊和計算等套用領域的研究。
去年，納光電子前沿科學中心搬入新燕園校區。楊起帆認為，正是中心所搭建的交叉平台，為各學科與光學相關的學者提供了思想碰撞和智慧交流的機會，從而產生跨學科的創新成果。「科學的共性散落在各個專業中，因此我們需要這樣一個‘搭台唱戲’的機會，既能培養復合型人才，又能催生重要的科技突破。」
03
「嚴」而「寬」的青年領路人
楊起帆的實驗室目前有3位博士後、9位博士生和6位專業碩士生，涵蓋了從基礎物理到套用研究的完整鏈條。在學生眼中，這位年輕的導師既嚴謹又寬容——他對工作要求極高，但同時給予學生充分的自由，鼓勵他們自主驅動學習和創新。
楊起帆在指導學生進行實驗
「也許這也是一種傳承。」楊起帆回憶起本科和研究生時期，導師們都是極其嚴謹的科學家，每篇論文和每項實驗數據都會被仔細審查，任何錯誤或「註水」內容都無法透過他們的關卡。如今，作為導師的他，也將這種科學態度延續到了學生的培養中。
他不喜歡查考勤，也不要求學生按時匯報，更多的是鼓勵他們自主完成科研任務，精益求精——這實際上對學生提出了更高的要求。
「北大的學生智商和勤奮程度都是‘楷模’，與其嚴格執行教條式的打卡管理，我更看重激發他們對科研的興趣和內驅力，希望他們能具備強烈的主觀能動性，而不是事事等待導師的安排。」楊起帆如是說。
作為一名年輕教師，楊起帆經常去實驗室和學生們一起討論科研，這不僅讓他能夠及時掌握每個學生的進展，也幫助他在學生遇到科研瓶頸時，給予適時的建議與鼓勵。不過，盡管他會給予支持，但在科研標準上，楊起帆從不「心軟」。
在實驗關鍵時刻，楊起帆常常和學生一起長時間待在實驗室，共同為實驗的成功興奮，也一起絞盡腦汁「攻關升級」。
「有一次，我們在進行低雜訊光梳實驗時，遇到了一個始終無法排除的神秘雜訊，讓我們始終無法突破世界紀錄。有一天，我在校園裏散步時突然想到，可能是因為我們沒有做‘補償’。」興奮的楊起帆立刻給學生打電話。新的實驗很快開展，果然，他的猜想得到了驗證——實驗最終成功突破，獲得了世界上噪音最低的光學頻率梳。
十多年後回到北大，楊起帆感慨如今的北大學子所獲得的資源和探索科研前沿的機會已遠遠超過他當年的條件，成長的速度也因此更快。他鼓勵那些學有余力的本科生早些進入實驗室，系統性地接受科研培養，並熱情歡迎更多學生來到新燕園校區，利用先進的納光平台開展學術實踐。
楊起帆與新燕園「納光樓」
在楊起帆心目中，科學精神的薪火相承是年輕科研人員的重要使命。「從饒毓泰老先生建立北大光學學科起，一代代的北大光學人不斷探索耕耘，有了現在的實力和規模，開放包容一直是北大光學發展的特色。我們一定要傳承好老一輩科學家的優良學風，要對得起這麽好的科研條件和科研資源，盡自己的一份力量，為實作國家高水平科技自立自強作出一點貢獻。」楊起帆說道。
END
