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1991年，Philip Russell教授在参加CLEO会议时灵感乍现：如果将自己所研究的光纤与感兴趣的光子带隙理论结合在一起，会发生什么有趣的事情呢？他奋笔疾书将这一想法记录下来。当时间来到1995年，他与团队制造出世界上第一根光子晶体光纤。30年来，Philip Russell与所领导的团队一直在国际上引领微结构光纤方向的发展，在Nature、Science及其子刊发表一系列具有开拓性的研究论文，文章他引超过73000次，是世界前一百位学术h指数超过100的科学家。团队两项光子晶体光纤技术成功获得产学研转移转化，实现光子晶体光纤原始创新到重大应用的科研闭环。
时值Advanced Photonics 创刊五周年，“海上有光”大咖访谈栏目特别邀请到了Philip Russell教授，由中国科学院上海光学精密机械研究所研究员张龙担任主持人，一起回顾光子晶体光纤飞速发展的30年。Philip Russell教授是罗素先进光波科学中心现任主任，德国马普光科学研究所创所所长，英国皇家学会院士，曾任美国光学学会主席，国际光学领域著名科学家，被誉为光子晶体光纤之父。菲利普·罗素教授于2023年荣获中国科学院外籍院士称号。随着Philip Russell团队加入中国科学院上海光机所，我们期待他与中国的科研人员碰撞出更多科研火花。张龙：您好，Philip Russell教授，很高兴在上海见到您！今天我想和您讨论的第一个问题是：您领导的一个研究团队在1995年制造了世界上第一根光子晶体光纤 (PCF)。能简单地向广大读者介绍一下PCF是什么，以及它的功能吗？Philip Russell：当然，PCF与其他光纤一样，本质上都由二氧化硅组成。它比人的发丝略粗，其中包含着沿长度延伸的中空小孔，小孔在平面上排列成特定的晶格结构，并以极细微通道的形式存在。这种特殊的结构，模拟了在半导体中所能看到的原子晶格阵列，但规模要比实际晶格大十万倍左右。但即便如此，哪怕是一百万个如此大小的微通道并排排列，也不会超过人手臂的长度。通过对这种周期结构进行精准设计，可使其成为光低损耗传输的完美波导（由于这个结构中仅有空气和二氧化硅存在，光以一定角度入射传播可以实现全反射）；如果用它作为光纤，光将无法从中空波导逃逸至包层中。张龙：据说您是在参加CLEO会议时，基于某一类光纤设计获得PCF的启发。我很好奇是什么样的讨论激发了您的灵感？Philip Russell：说来话长。20世纪70年代下半叶，我在牛津大学攻读博士学位时，由于从事体全息相关的研究，对光子能带结构理论，即光学布洛赫波充满了兴趣。博士毕业后，我幸运地拿到了汉堡Reinhard Ulrich教授课题组博士后的offer，Reinhard Ulrich教授以光波导方面的成果闻名。1974年，当我还在斯图加特的马普所时，他开始了一项研究光学布洛赫波的研究项目，因此，他可能是和我一样早在思考光学布洛赫波的科学家。当在1973-1983年完成对光学布洛赫波的理论及实验探究后，我走到了一个关键的时间点上，并且受到了来自Eli Yablonovitch的启发，他的研究成果启发我尽可能地去创造出具有光子带隙特性的介质结构。在20世纪90年代初，人们对于光子带隙的理论感到十分兴奋，我也一样，并且渴望去做点什么，碰巧当时自己在光纤领域工作，所以，将两件事放在一起便成为了一件顺理成章的事。一开始，我受到了很多来自光纤光学领域专家的质疑，他们有着各种各样的评论，大体意思是说，你很难在玻璃中制造出如此复杂且有序的微纳结构，这种光纤难以制备。一些记者往往会问这样的问题：将一根带中空通道的光纤用作通信光缆时，需要将它埋入海底，这时假如光纤断裂，海水涌进中空通道，那么会发生什么？当时我对人们开了个玩笑，我告诉他们我想做“holey fiber”（多孔光纤）。“holey”（多孔的）与“holy”（神圣的）两词读音相近，但含义相差甚远。我想说，如果不指出其中的字母“e”，那就完全变成另外的意思了。![]()
图 Phillip Russell教授在美国巴尔的摩举行的CLEO会议时做的笔记（1991年5月14日）
张龙：很多人认为，高锟先生开发的单模光纤和您开发的光子晶体光纤，可能是光纤领域最重要的两项发明。我的问题是：您认为光子晶体光纤是如何改变这一领域的？Philip Russell：说实话，我并不确定自己的成果是否能够和高锟先生相提并论，因为他的发明彻底改变了世界，直接推动了宽带互联网的发展。但从小的方面说，PCF也的确促生了许多有趣的东西，它从一定程度上拓展了光纤的范畴，让我们可以在更宽的范围内改变光纤的特性。![]()
图 不同类型的PCF及其美丽的光模式传播
因此，PCF不仅让光子带隙机制成为了现实，并且彻底改变了气体中的非线性光学。你可以制造出一个空心波导，并且在很长距离内使光束保持紧聚焦，受到瑞利极限的制约，这一点在以前是难以实现的。对于非线性光学而言，这是一项革命性的成果，因为我们可以将气体灌入这种中空光纤中，通过控制气压，使光纤色散发生改变，从而成为开展气体非线性光学研究的强大工具。
张龙：实际上，在PCF成功发明之后，它对超快光学产生了深远的影响。1999年，贝尔实验室利用PCF与钛蓝宝石飞秒激光器产生了跨越一个倍频程的频率梳，这为John L. Hall和Theodor W. Hänsch获得2005年诺贝尔物理学奖做出了贡献。作为PCF发明者，你能谈谈PCF在超快激光器和非线性光学中的重要影响吗？Philip Russell：当然，那项工作正是基于PCF的超连续谱，这也是PCF面世以来取得的首项重大科学突破。故事是这样的：贝尔实验室有一个研究团队，他们注意到我在1995年光通信会议上的一篇论文，受这篇论文启发，他们也开始尝试去制备这样的光纤，他们制备出的光子晶体光纤有一个很细的纤芯，通过这个特殊构造，可以为其中传输的光束提供反常色散。也就是说，当光在这种波导内传播时，短波部分的速度要比长波快，该团队使用这种光纤，利用康奈尔大学Alex Gaita实验室内的800 nm超快激光器，观测到了超连续谱产生过程。在他们所设计的光纤结构中，纤芯被中空通道所包围，这使得光纤材料原本的正常色散得到补偿，并且可以动态调整零色散波长。但无论如何，这项工作催生了跨越一个倍频程的光梳，而John L. Hall和Theodor W. Hänsch则利用其研制出时间精度极高的光钟，这一成果助力他们获得了诺贝尔奖。
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图 PCF中的超连续谱生成
2003年，我在巴斯大学的研究团队，首次报道了在充气的空芯PCF中，比传统系统低100倍的氢气受激拉曼散射阈值。德克萨斯大学奥斯汀分校的Mike Downer教授在其为Science所专门撰写的评述中高度评价了这一成果，他写道：非线性光纤光学的新时代即将开启。
后来，我们搬到了德国爱尔兰根，在那里，我的团队针对空芯PCF中超短脉冲与气体的相互作用开展了系统研究。我们可以证明，只需要几微焦的能量，就可以将脉冲压缩到单周期。你只需要一小段空芯PCF，加上一套气压调节系统，就能够得到少周期的超快光脉冲。由于在该系统中，脉冲压缩所需要的阈值功率很低，这使得产生少周期脉宽所需要的脉冲能量更低，从而意味着更高脉冲重频。这也使得超快光学实验能够更容易、更便捷地开展。此外，我们还发现，这种方法可以产生波长可调的深紫外与真空紫外光。近年来，这已成为了高性能紫外光源的一项重要技术方案。
张龙：在成功制备PCF后，您和您的团队快速在英国、美国、欧洲、中国、日本和韩国等不同国家和地区申请了技术专利。您当时是如何意识到PCF在科研应用之外还有巨大的商机？Philip Russell：20世纪90年代末，我还在巴斯大学工作的时候，就越来越确信PCF 研究中蕴藏着巨大的商机，所以开始基于我们的研究结果去申请专利。21世纪初，一个偶然的机会，有一些来自加拿大的风险投资家来到了我这里，他们拜访了许多实验室，讨论资助科研人员成立初创公司。当时应该是1999或2000年，我花30分钟对PCF进行了介绍，这批风投人员中的一个技术人员成功被说服，他表示可以在现场签署一张6000万美元的支票！当时他甚至差点直接掏出支票簿。我们对此感到十分震惊，但并没有接受他的提议，因为这实在是一大笔钱。结果后续多次谈判，我们将投资金额定在了900万美元，随即成立了Blaze Photonics有限公司。公司有不少业务，但主业还是为长途电信提供空芯光纤。不幸的是，在21世纪初，由于没有得到进一步的投资，通信用低损空芯光纤的研发计划被迫中断。张龙：PCF领域让您感到惊喜的最新研究是什么？您认为在未来5到10年内，PCF有望在哪些领域取得突破性进展？Philip Russell：这个领域有很多可以聊的事情。正如我刚才提到的，Blaze Photonics的研发目标之一是做出可以远距离通信的低损耗PCF。而就在最近，来自南安普顿大学的研究团队取得了一些重要进展！在Blaze Photonics成立20年后，用于1550 nm信号光传输的低损耗PCF终于被成功研制，它的传输损耗甚至可以优于传统单模光纤，在传输40公里后，信号光仅仅损失约一半的功率，这几乎与自由空间中光场传输的损耗水平相当。事实上，就在最近，微软也对PCF进行了投资，以用于支持数据中心之间的通信（在数据中心之间，需要建立超宽带的信道以支持海量数据传输）。顺便提一句，光在空芯PCF中传输的速度，要比普通光纤快1.5倍，事实证明，这也能够带来其他方面的好处。
张龙：您是马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）的联合创始人，MPL现已发展成为世界级的光学研究中心，并不断取得令人惊叹的学术成就。是什么样的机遇让您创办了这样一个研究所，您的初衷是什么？Philip Russell：创建一个更加专注于光学技术全新研究所的想法，来自于我的联合主任Gerd Leuchs和已故的Herbert Walther先生。Gerd Leuchs是美国光学学会现任主席，Herbert Walther则是他的博士导师。最初，他们筹集了五年的资金，并成立了一个研究小组，作为一个试点，该小组也在尝试拓展成完整的研究所。当时是2003年，我则于2005年从巴斯大学加入了该小组。我们的任务是证明自己可以在MPL的预期下建立起可靠的研究计划。当然，这一点后来也成功实现——MPL于2009年1月成立。MPL体系对科研人员十分友好，你可以有充足的资金去做想做的事情。而在英国，这一点则很难实现，科研资金申请的过程繁琐、难度很大。这也是我选择加入MPL的一个原因。![]()
马克斯·普朗克光科学研究所罗素组（2015年4月）
张龙：您在近50年的科研生涯中培养了一大批优秀的青年人才。能请您分享一下在光学领域指导和培养下一代科学家的经验吗？Philip Russell：首先，我想明确一点：我的团队之所以能够取得许多成就，是因为始终与才华横溢的年轻人共同工作。我平时常常鼓励学生和年轻学者独立思考，并且对自己在期刊论文中看到的研究成果保持怀疑。我始终强调，不要轻信任何研究结果，除非你自己能够将其复现出来，或是自己能够彻底将其中原理想明白。复现或是思考的过程很重要，因为很难保证研究论文中没有任何错误。我还喜欢鼓励学生花时间冥想，你只需要闭上眼睛，将自己的情绪定在对某件事的思考上，让思想进入并停留其中，让想象力漫游，然后你就能够捕捉到一些新奇的想法。当然，光子学和物理学中也有很多东西需要去学习。一个人不能停止对基础知识的学习，这不仅意味着要阅读论文，更重要的是去理解其后蕴含的原理。此外，还需要认识到，研究都是周期性的，你会遇到瓶颈或是低迷的时刻，但不要心急，或许转机和突破就在不远处。另外，我认为学生与同学、博士后之间的公开学术讨论，对于取得成功而言至关重要。因为在对新奇想法讨论的过程中，学术氛围便被很好地建立了起来。但在很多实验室中，这种氛围并没有被培养出来。就我个人而言，我总是确保实验室内的每一个人都能够得到参与讨论的机会，这样就不会存在“秘密”或其他可能导致交流困难的事情。我认为，作为团队管理者，保证成员之间交流顺畅，是一件非常重要的事情。 张龙：对于那些立志从事光纤和非线性光学领域的年轻学生和技术人员，您有什么建议？Philip Russell：这是一个好问题，对于年轻人来说，努力工作，并且像我所说的那样保持思考，深入理解所从事工作的内在原理，与同事建立深入交流的机制，慎重选择研究团队成员，勇于提出自己的问题……这些都是非常有用且重要的。张龙：在您看来，光子学研究在气候变化、生命与健康、可再生能源等当前热门话题中可以发挥怎样的作用？Philip Russell：光纤，包括PCF本身的应用已经得到了证明，它们可以被用于制造机械加工所用的高功率光纤激光器。而紫外光源在医学、传感等领域内也有不少应用。光子学作为一门独立的学科，其发展使得许多东西被完全改变，比如太阳能电池，通过吸收太阳照射实现电能转化；再比如LED，这些明亮的照明光源已经布满了世界。我们日常生活中，几乎处处都有光子学的影子，光子学技术对人类的发展起到了重要的推动作用。张龙：我们知道，您退休后与您的MPL团队前成员们一起在杭州建立了一个新的研究中心——罗素先进光波科学中心（RCALS）。您能谈谈您的计划，以及您对RCALS中心的愿景吗？Philip Russell：是的，我认为我在RCALS最重要的作用，就是帮助、引导研究朝着好奇心驱使的方向健康发展，并且建立起一种自由、开放的科研文化。正如我前面所提到的，充分的讨论十分重要。当然，在当下这个初始阶段，我们的主要工作重心还是采购实验设备，建立实验室，并且招募一批高质量的学生和研究者。因此，我希望能够在2-3年的时间内建立起一个成功且不断向前发展的研究团队，这个团队将利用PCF所提供的机遇探索许多令人兴奋的课题，这或许包括新的激光光源、光波导以及光学传感器等。此外，我也希望我们能够吸引更多的外国学生和博士后来到RCALS学习与工作，将这里当做他们职业道路的重要一环。目前我们已有一支优秀的核心教授团队，并且正在招募更多的教授。我相信我们已经有了一个好的开始。
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图 中国科学院上海光机所、杭州光机所先进光波科学中心（RCALS）（2024年5月）
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Advanced Photonics（AP）创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子20.6，在全球SCI光学期刊中位列第3（Q1区），中国科学院一区。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（AP Nexus）接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊。![]()
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