量子电子学与光学工程简介

(1)

南大工学院

挂牌成立

光学工程博

士点获批

光电信息工

程专业设立

光学工程系

正式成立

量子电子学与光学工程系

暨光电信息工程专业简介

李涛，肖敏，陆延青

2017年12月

(2)

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Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li [email protected]

(3)

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Google, an optical company?

(5)

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主要内容



总体介绍



师资力量



研究方向

(7)

光学工程？



光学工程是一门历史悠久而又年轻的学科。它的

发展表征着人类文明的进程。



它的理论基础——光学，作为物理学的主干学科

经历了漫长而曲折的发展道路，铸造了几何光学、

波动光学、量子光学及非线性光学，揭示了光的

产生和传播的规律和与物质相互作用的关系。

(8)

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传统光学工程涉及领域



平板显示技术与器件



全光信号处理及网络应用技术



光电检测技术



生物分子光探



光电子材料与器件测技术

(9)

何为量子电子学？



研究利用物质内部量子系统的受激发射来放大戒

产生相干电磁波的方法，及其相应器件的性质和

应用的学科。



在这种放大、振荡机制中，量子跃迁过程起关键

的作用，所以称量子电子学。

激光

(10)

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南大为何成立

量子电子学与光学工程？

闵乃本院士的讲话



当前人类处于第三次产业革命前夜的标志之一：

以电子电荷为信息载体的集成电路可能于2020

年物理极限，人类必须发展新一代“信息载体”、

发展新一代信息技术以及“后摩尔时代”的信息

产业。

这个载体是什么？

量子

光子

(11)

Component

Module

System

Application

信息光电子元器件核心技术被美、日等厂家把持，形成了技术壁垒，制约了

中国光电产业的长期发展。

(12)

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南大的优势与特色



强大的物理学、材料科学与工程背景



固体微结构国家重点实验室



南京微结构国家实验室



南大重点建设的“物质学科平台”



南大“量子调控”基地



江苏省重点学科——光学工程

光电信息工程工程

理工融合的“南大新型工程科学”

(13)

名誉教授：

Eli Yablonovitch、

Jeff Kimber、Martin Schadt、Shin-tson Wu、…

教授：

祝世宁、肖敏、秦亦强、陆延青、张旭苹、

等16名

副教授：

Jorg、王光辉、宋跃江、

等10名

（高级）工程师：

赵刚、吕新杰、李世凤

专职研究员：

王漱明、崔国新、杨旭、边捷、明阳…

(14)

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

祝世宁教授，

中国科学院院士、

OSA Fellow，JOSA B副主编、



肖敏教授，系主任、

首批“千人计划”教授，

长江讲座教授、

OSA/APS Fellow, JOSA B副主编、



陆延青教授，执行院长，长江特聘教授、杰青、

科技部首批中青年科技创新领军人才，OMEx执行副主编、



张旭苹教授，江苏省“333工程”领军人才，中国光学学会副主任委员、



李涛教授，执行系主任，登峰人才计划、基金委优秀青年基金获得者



陈向飞教授，教育部新世纪人才、江苏省双创人才、微宁CEO



徐飞教授，教育部新世纪人才、基金委优秀青年基金获得者



张勇教授，教育部新世纪人才、基金委优秀青年基金获得者



姜校顺教授，江苏省杰出青年基金获得者



...

人才队伍

(15)

青年千人计划（已到岗）



江伟教授（硅基光学）（首批江苏特聘教授）



张利剑教授（量子信息）



张伟华教授（微纳光学）



刘晓平教授（硅基光学、光纤激光）



徐挺教授（微纳光学）



Jorg Gotten 副教授（量子光学）



夏可宇教授（量子光学、微纳光学）

海外招聘积极进行中！

(16)

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主要研究方向

量子信息

技术

全固态激

光技术

微纳

光子学

_与光通讯

光传感

生物、光伏、

显示等交叉

光学

材料

能源

_生医

量子电子学

与光学工程

(17)

主要研究方向

1、量子信息技术

量子信息技术，是本学科的

前沿核心方向，拟发展各种量子保密通信及量

子网络关键元器件

，如：量子通讯光源、传输系统、存储器、中继器、全

光开关、路由器、及探测器等，以及量子计算、固态量子信息处理、量子

逻辑门、量子成像、量子测量、量子及物传递等方面的研究。目前，本方

向在全固态量子纠缠光子的产生、集成操控与量子成像、高品质因子微腔、

固态类EIT系统等方面已取得若干重要进展，承担了973计划、重大研究计

划等国家重点课题。

2、全固态激光技术

全固态激光技术是南京大学的

特色研究方向，以获得2006年国家自然科学

一等奖

的介电体超晶格研究为基础，开展非线性光学、超快激光、中红外

激光、激光加工、激光检测、激光显示、微型激光等光学仪器方面的研究

与开发，为各种光信息传输、处理、存储、显示以及大功率激光军民事应

用提供光源技术及系统解决方案。该方向承担了国家重大科学仪器专项、

863、军工等多项课题。

(18)

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主要研究方向

3、微纳光子学

微纳光子技术面向国际前沿，针对

大容量高速度的信息处理以及高效光电

转换

等国家战略需求，发展具有人工微纳结构的新型有机、无机光电功能

材料，及其设计、制备、表征、功能集成和应用。通过对光子、电子等特

征量子的空间、时间特性进行操纵，实现新的物理过程，澄清其相互作用

的机制，揭示相关的线性、非线性、经典、非经典光电性质。目前，该方

向在Metamaterial, 表面等离激元等方向已有不少积累，承担国家重大研

究计划、基金委创新团队项目等重点课题。

4、光学传感与光通讯

光纤传感及通讯技术，

面向光通讯、物联网等重大产业方向

，紧扣光子集

成、微波光子等前沿热点，开展新型传感、光通讯器件及网络技术的研究

与开发。近年来，本方向已成功研制系列微纳光纤传感器、高精度无线光

纤传感技术，光网络健康安全监控系统，提出了并实现了自主集成DFB激光

芯片阵列，实现了创记录的光码分复用编码器并获成功系统应用，相关工

作数次被国内外媒体报道。该方向承担了863计划、自然科学基金重点及若

干企业合作项目。



(19)

主要研究方向

5、生物光学、光伏、显示等交叉学科

生物光学是是光学工程重要的前沿发展方向，也是光学与正本院建设中的

生物医学工程学科的

活跃交叉点

。光伏技术、新型光学显示材料及技术等

前沿交叉领域同样是我们关注的重要方向。目前，我们业已在THz技术、微

流体生化检测、多光子吸收光电转换、新型液晶显示材料及器件等方面有

一定的积累。

(20)

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(21)

扎实的基础和成熟的研究条件



介电体超晶格实验室（祝丕宁院士）

(slab.nju.edu.cn)



微纳光学与超快光子学实验室（肖敏教授）

(optics.nju.edu.cn)



液晶与微纳光学实验室（陆延青教授）

(light.nju.edu.cn)



微波光子学实验室（陇向飞教授）

(mwp.nju.edu.cn)



光通信系统与网络工程研究中心（张旭苹教授）

(ocer.nju.edu.cn)



若干青年千人教授研究组

。。。。。。

(22)

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介电体超晶格实验室



祝世宁院士



朱永元教授



秦亦强教授



刘辉教授



李涛教授



徐平教授



谢臻达教授



赵刚高工



吕新杰高工



张超副教授



胡小鹏副教授



龚彦晓副教授

• 传承了闵乃本院士在介电体超

晶格体系的研究

• 2006年获自然科学一等奖

• 发表论文：

Science 3篇

Nature子刊3篇

PRL 18篇

综述文章10余篇

• 美国专利2项

国内专利10余项

(23)

(24)

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宽调谐中红外光学超晶格激光器（国家重大仪器专项）

25

多年积累的

介电体超晶格成果

成熟的全固态

激光技术、工程化

宽调谐大功率

光学超晶格中

红外激光系统

空间光学中红外激光

系统：

大气定标

机载中红外激光系统：

激光致盲

机载激光遥感系统：

天然气管道泄漏探测

自主研制

(25)

亚波长光子集成 光子芯片 SPP 回路

超构材料/表面、平板透镜、超分辨成像、立体全息

光场多维调控

凝聚态光学模拟

纳光子集成与量子集成

APL, OE, OL, … ….

http://dsl.nju.edu.cn/litao/



光学超构材料

(26)

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微纳光学与超快光子学实验室

肖敏教授

(千人计划，PI)

王晓勇教授

张春峰副教授

张勇教授

姜校顺教授

吴雪炜工程师

超快光电物理飞秒磁学超快相干光谱单分子光谱超快光谱太阳能电池非线性光学成像非线性光学特性量子光学成像实验室维护激光,软件,电子光学微腔腔光力学纳米加工量子光学非线性光学微纳光学

2010年以来，发表SCI论文110篇，包括Nature Photonics 1篇，

Nature Communications 2篇， PRL 7篇，JACS 1篇，Angew.

Chem. Int. Edt. 1 篇，Adv. Mater. 2篇。

(27)

超聚焦及超分辨成像

可以把光斑聚焦到瑞利

衍射极限以

下

，然后应用于

远场超分辨成像

空间光束的非线性光学转换

(28)

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量子传感

量子成像

与经典光学成像比较，量子成像的探测灵

敏度可以

超越探测系统的量子噪声极限

，

成像分辨率可以

超越经典衍射极限

，扫描

成像速率也可以

突破经典信息论的奈奎斯

特采样极限

，具有明显的优势。

量子光学传感及成像

100 200 300 -4 -2 0 2 4 6 8 R elat iv e nois e pow er (dB) Time (ms)

光纤传感的测量精度可以

超越散粒

噪声极限

(29)

Q >10

7

以芯片集成的

超高品质因子光学微腔

为平台，研究光通信器件、

微型激光器、非线性光学及腔光力学等。

Q >10

8

_{Q >10}

8

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L. Chang, X. Jiang* et al., Nature Photonics 8, 524 (2014).

宇称-时间对称与片上光学隔离

宇称-时间对称透射谱线

片上超灵敏

光学隔离

(31)

•

教授：陆延青

（南京大学物理学博士）（2006-）

•

教授：徐飞

（英国南安普顿大学

光学

博士）（

2008-）

•

副教授：张学进（兼）（南京大学

材料

博士）（

2012-）

•

副教授：胡伟

（吉林大学

化学

博士）（

2009-）

•

访问学者、专职科研人员等：谭爱红、崔国新、闫海涛

•

（准）博士生：

7+2；（准）硕士生：11+7；本科生：4

陆

延

青

教

授

长

江

杰

青

徐

飞

教

授

优

青

新

世

纪

胡

伟

副

教

授

张

学

进

副

教

授

（

兼

）

液晶与微纳光学实验室

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本组定位与研究方向

介电体超晶格

/

微纳结构材料

光纤光学

/

集成光学

液晶

/

有机光电材料

发展有微结构物理内涵与现

带光学工程特色的核心技术

（不求全，在交叉处求发展）

核心：

光学微纳结构

物理

材料

元件

器件

子系统

系统

用户

(33)



主要问题：

高损耗



解决方案：提出了在PPLN/金属结构中利用准位相匹配二阶非

线性增益来补偿SPP高损耗的思路。

PRB 82, 155107 (2010), OE 19, 380 (2011),

OL 36, 4434 (2011), OL 36, 2533 (2011)

Ag z y x PPLN (a) 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1

F

W

i

n

te

n

si

ty

(a)

PPLN LiNbO 3 Gaussian 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 x 10 -3

Position (



m)

S

H

G

e

ff

.

(b)

0 5000 0 0.5 1 Position (m) S H G e ff .

SPP

可以实现亚波长的微小光学回路和光子器

件的高度集成

- (Nature, Aug. 14, 2003)

Λ=2.9μm

样品制备：

(34)

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工作丼例2：研制的各种新型微纳结构光纤

35

微纳光纤

微光纤多环谐振器

高双折射

光纤探针

FP

腔

光纤端面

金属纳米线栅

光纤探针

Bragg

光栅

高双折射

微槽光纤

光纤端

微型

FP

腔

Appl. Phys. Lett., 101, 133502 (2012); Opt. Lett., 37, 863 (2012);

Opt. Express, 20, 14392 (2012); IEEE Photon. Tech. Lett., 24, 1771 (2012)

…

PCT/CN2010/074479

：

Multi-mode interferometer techniques

PCT/CN2011/076558

：

Slotted optical fibers and methods …

(35)

20 

m

5.5 

m

50 

m

a

b

c

e

50 

m

f

2.4V

20V

d

g

20 

m

(36)

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从胆甾相、近晶A相到蓝相

(37)

陈向飞教授

[email protected]



研究领域

：信息光电子器件及其系统应用



具体主要研究方向

：



光子集成芯片及其系统应用



光通信传输技术



光纤传感



激光器在生物上的应用

基础研究

应用基础研究

工程研究

工程应用

微波光子学实验室

(38)

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单个晶体管的价

格

总价

值

电子（集成电路）之路

2008

电子信息产值年达

4.96 万亿美元，占世界总产值的

9.6 ％，

居各产业之首

，

到目前为止还是迅猛发展

39

(39)

单个光器件的价

格

总价

值

分立光器件时代

集成光器件时代

(40)

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激光器阵列

http://www.infinera.co

m/technology/pic/large

scale.html

http://www.nature.co

m/nphoton/journal/v

1/n3/fig_tab/nphoton

.2007.17_F4.html

http://ieeexplore.ieee.org/

xpls/abs_all.jsp?arnumber

=5440140

41

网络通信

(Infinera

公司

)

下一代超级计算

/CPU (Intel

公司）

超高速数据传输

（

HP

公司）

用于未来超级计算的芯片

级光互连

（

IBM

公司）

多波长激光器阵列

(41)

创建于2002年5月，由陈骏校长

和省信息产业厅谢正义厅长揭

牌

2002年11月以南京大

学光通信工程研究中

心为依托成立了“江

苏省光通信系统与网

络工程研究中心”

南京大学光通信工程研究中心

张旭萍教授，[email protected]

(42)

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主要研究方向

光传感、监测与网络技术

连续分布式

光纤传感

微纳

光传感

光电检测

与图像处理

通信与

传感网络

已培养博士后8人

博士研究生近30人

硕士研究生100多

人（含专业学位）

本科生200多人

教师（含实用技术

人员11人）

在读硕士生 41人

博士生 5人

(43)

科技进步一等奖以及南京市科学技术进步奖、中国侨界(创新成果)贡献

奖、中国国际工业博览会奖、上海铁路局科技进步奖、王大珩光学奖等

10多个省部级奖项。

发表论文近300篇，出版专著1本、参编专著2本；

申请中国/美国/国防发明专利100多项，其中已经授权50多项；

获得国家自然基金面上和重点项目、863项目、973课题、科技部重大仪

器专项课题、总装“十五”、“十一五”、“十二五”预研基金、江苏

省科技攻关、江苏省自然基金等纵向基金30多项，华为科技、国家电网、

铁道部等企业项目40多项。

(44)

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• 保密通讯

• 量子计算

• 精密测量

• 生物信息

45 量子光学实验室

张利剑 “青年千人”教授，牛津大学博士，洪堡学者

[email protected]

(45)

量子光源

量子探测器

• 非经典光学态制备

• 高性能单光子探测系统

• 高速、低噪声homodyne探测器

量子通信

• 高速率量子通信

• 长距离量子纠缠分发

量子精密测量

• 突破经典测量极限的测量精度

• 量子精密测量的实用化

(46)

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腔与波导量子电动力学研究组

夏可宇青年“千人计划”教授 [email protected]

为解决量子信息挑战性难题单传播光子量子非

破坏测量提供了可行方案。被Science报道

Phys. Rev. Lett., 2016

提出基于腔量子电动力学的光路由器，可实现

最低功耗光路控制。

Phys. Rev. X 2013

Phys. Rev. A, 2014

Phys. Rev. Lett., 2009

理论研究了一种超导比特与机械振子混合量子

系统，发现一种高效机械振动量子冷却方法。

解决了量子网络关键器件单光子回旋器。理论

被Science实现。实验被Science选为年度进展。

(47)

PI: 江伟教授（青年千人教授）

光子晶体

硅基光子芯片微加工

激光雷达

应用：自动驾驶

硅基光子器件

应用：数据中心光互连

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单分子谱学&单纳米结构表征

近场多物理场耦合&超分辨成像

纳米生化传感与分析

_专利： CN201710149279.3 CN2017108521458 CN201711145237.9 ACS Photonics (2015)

新型纳米加工技术：三维、可控、多功能

• 纳米静电印刷术 • 三维纳米探针直写 • 微区紫外纳米压印 • EBL, FIB • Single molecule spectroscopy; • Chiral antenna Adv Mater. (2017) Advanced near-field optical micrscopy