我校信息光电子学科的建设与发展历程

中国科学院院士  清华大学电子工程系教授  周炳琨

清华大学电子工程系教授                   高以智

清华大学电子工程系教授                   谢世钟

 

    自从1960年世界上第一个激光器发明至今, 光电子技术历经了四十个春秋。它以其强大的生命力谱写了一曲交叉学科创造发明的凯歌,其应用已遍及科技、经济、军事和社会生活的许多领域，尤其是已成为信息社会的强大支柱。在这期间，清华大学电子工程系光电子技术学科方向的科研教学集体也经历了四十年的发展历程，由半导体教研组的一个最小的科研小组发展至今日的信息光电子研究所（由激光教研组和电子物理教研组合并组成），成为活跃在光电子领域的一支重要的生力军，取得了一系列重大的科研成果。回顾四十年的风雨历程，令人心潮澎湃。

 

 

    1960年，以李传信同志为首的无线电系领导核心敏锐地察觉到固体量子电子学方面冒出的新的研究热点可能会成为新的学科生长点，抽调了几名教师和一些学生调研并筹备新专业。其间，适逢世界上第一个红宝石激光器诞生。至1962年，在苏联进修并参加了激光器研究工作的周炳琨回国后，明确了以激光技术为新的学科发展方向。重新组建了由周炳琨、高以智、石秉学、陈效建组成的激光科研小组，依托在半导体教研组。大家边调研，边学习，边进行一些专题性科研，并通过辅导毕业设计培养少量学生。1965年底，校内掀起学习“200号”科研的热潮。科研组成员深感不能满足于自选专题性研究和技术储备的定位，迫切要求走出校门，面向社会，为我国激光事业作出具体贡献，在实际科研任务带动下筹建新专业。于是大家四出奔走，寻找任务。我们了解到总参测绘局急需用激光航空测高仪测绘地形。同时，在一次展览会上又巧遇常州第二电子仪器厂的于书记，他对发展激光产业很感兴趣，但苦于没有技术力量。于是我们便及时抓住了时机，迅速和常州第二电子仪器厂一起争取到研制激光航空测高仪的任务。1966年春，赴西安航测飞机上实地考察了对测高仪的要求后，由高以智、刘国存带领几名半6班学生奔赴常州第二电子仪器厂，结合工厂具体条件，苦战20个日日夜夜，设计出全部机械和光学部件的图纸。正当等待加工，准备装调之际，爆发了文化大革命，下厂成员被招全部返校。眼看着任务将半途而废，大家心急火燎。这是军用任务，怎能就此罢休！1966年11月，乘着大串联，无人管辖之际，周炳琨等5人又溜回常州第二电子仪器厂。那时工厂生产已不正常，但我们一心想的是把我国第一台激光测高仪送上祖国的蓝天，大家日夜奋战，终于调试出高功率红宝石激光器和计数器。由于文化大革命，这项任务只能时断时续，但科研组成员抓紧一切机会数次奔赴常州、西安，和工厂及部队的技术人员一起调试联机，终于在1968年成功地进行了激光航空测高仪的首次试飞。我校参加试飞的有周炳琨，刘国存和谢志铭。“激光航空测高仪”于1978年荣获全国科技大会奖。

 

    激光测高仪是我们这个科研集体的第一个硬仗，它锻炼了我们的骨干成员，合作单位常州第二电子仪器厂也以此为转机发展成为我国第一个生产激光测距仪的工厂。

 

    在以上基础上，在1970年到绵阳分校后又承担了“炮兵测距仪”的任务，并在完成这一任务中锻炼成长了一批“新工人”（70届毕业教师的别称），他们后来成为这个集体的中坚力量。所研制的“炮兵激光测距仪”也由姚敏玉负责将技术转给了北京光学仪器厂。

 

 

    1970年激光科研小组随分校迁至绵阳后，吸收了16名“新工人”和9名青工，以后又有7名基础课教师参加，正式成立了激光教研组。由周炳琨任教研组主任，张汉一和彭江得先后任支部书记。招收了三届工农兵学员。那时的绵阳地处三线，交通不便，信息闭塞，物资匮乏。要看到近期的文献，需乘探亲之际，在北京制成微缩胶片后带回绵阳观看。从这一实际情况出发，教研组制定了以需物质条件较少的气体激光器及其应用为主，以固体激光器为辅的学科建设方向。建设了完整的气体激光器研制工艺线和光学加工、镀膜工艺线，研制出产生红色激光的长寿命He-Ne激光器，并在国内首次研制出产生蓝光的He-Cd激光器。那时，西南地区还不能生产气体激光器。当我们了解到成都温度表厂有生产He-Ne激光器的意愿时，就将这项技术转让给他们。在绵阳期间，还取得了激光陀螺，单模红宝石激光器， 0.5米测距仪等多项科研成果。

 

 

    1976年四人帮倒台，1978年全国科技大会召开，特别是党的十一届三中全会的召开吹响了改革开放的号角。这一切都预示着科学的春天已经来临。绵阳分校也获准迁回北京。学校已经开始正常招收本科生、研究生。我们意识到要培养出高水平的学生，必须攀登科学的高峰。文化大革命十年间，世界上科学技术飞速发展，而我们则已经远落在世界后面。这时选择正确的科研方向至关重要。我们看到光子技术和电子技术的结合和交叉是当时信息技术发展的重要趋势之一。这种交叉可能兴起一个新的信息光电子学科和产业。于是我们果断地提出将教研组的研究方向转向信息光电子学这一新领域。虽然这种转向意味着要丢掉原有的科研基础和积累，但我们还是决心从新攀登新的高峰。搬迁之际，教研组主任周炳琨向校、系领导递交了转变学科方向的书面报告，得到了校、系领导的支持。

 

    1979年绵阳分校搬回北京。教研组的教师展开了如何实现学科方向转折的热烈讨论，决定一要抓课程和教材建设，二要争取新的科研课题。

 

    先是由周炳琨、高以智、陈家骅编写并于1980年和1984年出版了“激光原理”第一版和第二版，此书曾获国家优秀教材奖和电子部优秀教材特等奖（于1995年和2000年又出版了第三版和第四版）。后来廖延彪、彭江得、钟立晨、高以智、赵华凤等又先后编写并出版了“物理光学”、“光电子学技术基础”、“激光光谱”、“激光实验选编”、“激光概要和习题”等系列教材。这些教材的编写为提高教学质量和实现学科转向起了重要作用。

 

    为了找出新的科研课题，大家分头进行调研，终于选定了第一批课题。万事开头难，明确了课题后必须有经费才能启动，而如果没有一定的研究基础又很难得到支持。于是我们一方面四出寻找任务，一扇扇地去敲领导机关的门，一面向系里借了少量经费，利用现有设备启动新课题。郭弈理领导的非线性光学组打响了第一炮。他们在四波混频方面的成果在专家评议会上得到了好评。接着，又取得了光纤测量、外腔半导体激光器、光电二极管、混合集成光接收器组件、拉曼移频等第一批成果。在以上成果的基础上陆续争取到一批“六五”、“七五”攻关和北京市及部委的课题。逐渐形成了光纤通信技术及相关器件、光纤传感、新型固体激光器和集成半导体光电子器件等4个研究方向的格局。取得了YAG－染料氢拉曼移频系统、窄线宽可调谐外腔半导体激光器、蓝光二极管、光三极管、混合集成光发射和光接收器模块、光纤传输链、光纤电流电压传感器、半导体激光器泵浦的固体激光器、晶体光纤等成果。至此，在信息光电子领域中站稳了脚根。

 

    1986年国家开始实施863高技术计划，先后设立了光电子主题和通信主题。这一新的机遇使激光教研组和电子物理教研组得以联合起来承担了一系列重要的高技术课题，学科建设发生了新的飞跃。为了提高我校在光纤通信技术领域的竞争力，电子工程系领导班子做出了联合激光教研组、电子物理教研组和通信教研组的研究人员共同开展波分复用光通信研究的决策，并由副系主任彭吉虎负责实施。组建了由彭吉虎，范崇澄，谢世钟，杨知行等负责的光通信研究所，有力地促进了科研水平的提高。

 

    从1986年至今，在信息光电子领域中先后取得了掺铒光纤放大器、4´622Mb/s、8´2.5Gb/s、16´10Gb/s波分复用光通信技术、8´2.5Gb/s、4´10Gb/s光时分复用通信技术、WDM全光实验网、光孤子传输技术、光交换技术、高重复率超短光脉冲产生、紫外光写入光纤光栅、全光波长转换器、微型绿光固体激光器、高精度光纤油罐群检测系统等系列科研成果。这些成果在国内均处于领先地位，部分成果达到国际领先水平。

 

    自绵阳归京21年间，时代的机遇、国家的支持、科研方向的正确选择和全体成员发扬求实创新、拼搏奉献、团结合作的精神使我们得以在科学的殿堂中展翅飞翔。21年来先后获得了国家奖8项，部委奖25项，专利37项。与此同时，培养了18届本科生、125名硕士生、30名博士生。“光电子技术系列课程建设”及“物理电子学和光电子学博士点建设”也先后获北京市优秀教学成果一等奖。所属的物理电子学一级学科被国务院学位办认定为重点学科。

 

 

    科学技术是第一生产力，但它不能自动变成生产力，必须实施成果转化，才能使其成为真正的生产力。多年来，我们在科研工作中，不仅努力创新，力求顶天，创一流科研成果，也注意立地，面向应用，促进技术转化，让高技术成果在产业部门开花结果。

 

    掺铒光纤放大器是利用光学中铒离子的受激辐射而形成的全光放大器。它的出现从根本上改变了光纤通信发展的格局。波分复用加掺铒光纤放大器的系统技术逐渐成为未来“信息高速公路”的重要支柱。1993年彭江得带领的光纤放大器课题组研制成功我国第一台半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器，指标达到当时的国际同类产品的水平。1995年又研制出系列掺铒光纤放大器科研样机。这些样机成功地用于实验室的光通信传输系统，在国内首次实现了4´622Mb/s、2.5Gb/s、4´2.5Gb/s常规光纤200km无中继传输和2.5GHz、5GHz光孤子传输。但是课题组不满足于实验室应用。“在后半生一定要把光纤放大器开发成产品”是彭江得的诤诤誓言。他们一方面针对掺铒光纤激光器实用化在国际上也尚未解决的动态增益均衡和中继放大器远程监控等问题进行深入的科学研究，另一方面着手进行将成果转化为产品的技术开发工作，称之谓“顶天立地”。立地的第一步是研制清华大学和邮电部五所及中国邮电工业总公司联合研制的波分复用光通信系统中的配套放大器系列，实现与标准通信机柜配套的立式插盘结构。他们研制的16台光纤放大器现已成功地用于1999年开通的广州与汕头间的8´2.5Gb/s、550km波分复用光通信系统（由大唐电信和清华大学研制）中。与此同时，光纤放大器课题组又和深圳开发科技有限公司签订了转产协议。1997年12月初，当公司的技术人员来校开始接受培训之际，南京某公司向该公司提出了要求于12月底前提供4台光纤放大器为其光纤通信系统设备配套的要求。尚未掌握技术的深圳开发有限公司向清华大学发出了紧急求援。商场如战场，负责培训的刘小明毅然接受了这一求援请求。调动一切力量，夜以继日地和公司技术人员一起，顽强拼搏，终于在新年即将到来之际，准时从北京发货。通过这场战斗，公司的技术人员也熟练地掌握了技术。该公司目前已打开了市场，已销售光纤放大器273台，销售值达3000万元，利税达510万元。

 

    随着半导体激光器的发展，传统的用闪光灯泵浦的固体激光器经历了向半导体激光器泵浦的微型固体激光器发展的更新换代。1984年周炳琨在斯坦福大学率先研制成功半导体激光器泵浦的固体激光器。1988年霍玉晶又研制出国内第一台半导体激光器泵浦的微型固体激光器。他二十年如一日，终日潜心研究这种微型固体激光器，从没有寒暑假和节假日。他和福建物构所和山东大学合作，开创出LNYAB等系列微型固体激光器。他利用国产元件研制出输出功率140mW的微型绿光固体激光器，其输出功率体积比和性能结构比超过了国际上同类产品。它在医疗、光盘技术、彩色打印、水下光通信、探潜、导航、微细加工、光谱分析和全息照相等领域有广阔的应用前景。但是，这样有很强市场竞争力的高技术成果怎样切实地转化为生产力呢，该课题组决定走技术转让的路。他们先后向广东电工有限公司和温州丰源激光产业有限公司进行了技术转让。在校内对公司的技术人员进行了2个月的培训，然后又派出人员到公司进行技术指导，使受转让单位在两周内生产出合格的产品。温州丰源激光产业有限公司原来是一家生产包装箱的民营企业，清华大学的绿色微型激光器在该公司安家落户使他们跨进了高新技术产业领域，创造了每月生产500～600台，人年均700万元利润的惊人业绩。

 

    光纤传感器因其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、外形可变、体积小、对象广泛、便于成网而倍受重视。以廖延彪为首的课题组自80年代初便看准方向，在国内率先进行光纤传感器的研究。先后研制出电流、电压、温度、压力、二向流、等系列光纤传感器。怎样使实验室成果服务于国民经济建设主战场始终是他们的奋斗目标。他们了解到油库中油位、温度、压力、油水界面、流量等测量十分原始，仍然采用落后的带重锤卷尺测量油位，很不准确，又无法长期实时测量。某油库曾因油溢出而引起火灾，而压力、油水界面等根本无法测量，迫切要求利用先进的光纤传感器提高测量的可靠性，实现管理自动化。课题组承担了“高精度光纤油罐群检测系统”的任务。为了使油库及时地用上光纤传感器，在南国烈日炎炎、小咬群飞的夏天和京郊康庄凛冽寒风的冬日里，年届6旬的廖延彪和青年学生一起在野外敷设光缆，还要爬上15米高的油罐安装光纤传感器。辛勤的劳动换来了成功的喜悦。1994年底，他们研制的光纤传感检测系统在湛江港务局运行成功。他们乘胜追击，推广成果。1997年后又先后为延庆县康庄52999部队油库、辽河油田和大连油田安装了43套光纤传感检测系统。

 

    在告别20世纪之际，激光教研组与电子物理教研组联合成立了信息光电子研究所。攀登无止境，过去的足迹是明日的开始。信息光电子研究所全体教师正共同承担着清华大学 “创世界一流大学” 学科规划校重点项目“高速宽带密集波分复用(DWDM) 光纤网络”、973项目“支撑高速、大容量信息网络系统的光子集成基础研究”和国家自然科学基金“WDM光网络基础研究”等国家级重大科研项目的任务，肩负着建设中国高速信息示范网CAINONET和中国高速互连试验网NSFCNet等重任，大家团结奋斗，满怀信心地继续攀登科学高峰，迎接辉煌的新世纪。