“为光通信插上新的翅膀”——专访南邮梁安辉教授

中共中央组织部在十八大之前出版的向社会宣传千人计划专家的文集《我的中国梦》中，有国家“千人计划”获得者、国家特聘专家、南京邮电大学学术委员会副主任，南京邮电大学光通信与生物光学研究中心主任，南京邮电大学校长专聘教授，博士生导师梁安辉的文章《插上梦想的翅膀》。梁教授在书中这样写到，他的中国梦就是“要融合中国古代、现代的智慧及世界先进的技术与方法，在中国做出对中华民族乃至世界文明有重要意义的科技重大发明和发现，造福中华民族乃至全人类”。梁教授是编辑的学长，也是编辑学生时代的榜样之一。早在2013年OFC的时候，编辑就相约梁教授对他做一个专访，听他谈谈对光通信发展的认识。2013年底前的一天，在南京玄武湖畔一处西餐厅，梁安辉教授正式接受了光纤在线的专访。



高速光通信系统的先行者
梁安辉教授早年在香港和日本学习工作的时候，从事的主要是光孤子通信，研究的就是高速光通信系统。1994年前后，他就世界上率先提出密集周期光纤色散补偿方法。所谓密集周期光纤色散补偿，指的是在2个EDFA之间安排多个色散周期，可以有效克服光纤的非线性问题，大大提高光谱的使用范围，基于这一技术可以实现110nm的工作范围。
离开学校后，梁安辉进入产业界工作。在美国StrataLight公司工作的时候，曾经负责40Gbps模块的开发，开发了世界上第一个40Gbps光模块。后来在华为美国公司，他从事的也是40Gbps系统的研究。
再次从产业界回到学术界，梁教授想做的首先还是高速光纤通信系统。他说自己在世界上最早提出100Pbps（1P=1000T）光纤传输容量的实现方法， 将多芯光纤空分复用技术和特殊色散管理方法结合到一起。按梁教授的说法，当前国际上最高速的光通信实验系统的容量是1Pbps，而未来七到八年，100Pbps的实验肯定会出现。2013年的OFC上英国南安普顿大学，还有日本NTT都有学者提出类似的想法，比梁教授晚了大约2年。目前，对于100Pbps的系统，梁教授的团队除了继续在理论上进行完善，也在准备进行部分实验来验证。
100Pbps是巨容量，梁教授现在还在挑战光纤通信的另一项纪录，巨带宽系统。 所谓巨带宽系统，是在一根光纤上把能用的频谱资源都用起来，把850nm, 1310nm，还有1550nm的频谱都用起来。用梁教授前面提到的密集周期光纤色散补偿技术，他们的计算结果显示可以实现800-1900nm之间1000多纳米的频谱利用宽度，整个范围内非线性指标比传统小10dB，个别波长可以小60-70dB以上。这方面的实验工作也在准备中。说到色散补偿，梁教授还特别提到，做相干光通信以后，主流观点认为不再需要色散补偿。但他认为，引入色散补偿会改善光通信系统的非线性指标。2013年的OFC上已经有好多篇文章在支持他的这一观点。

从人眼结构到仿生光通信

梁安辉教授现在林林总总的头衔中有一个是南京邮电大学光通信与生物光学研究中心主任。光通信与生物光学有什么关系？梁教授说这是他回国后给自己选定的研究方向，也是一个被国内外许多大学者非常看好的方向。
具体来说，梁教授要研究如何借鉴生物体的结构来设计新一代的光纤通信系统，一个典型的例子就是人眼。梁教授说，在他看来，人眼的视锥细胞就是一个个单模光探测器。当年他做40Gbps模块的时候，项目组有人对是否采用德国U2T公司的单模高速探测器有顾虑。他想到既然人眼也是这样的结构，那么这种探测器一定能行。
梁教授一边画图一边给编辑解释人眼内视细胞的组成。人眼内有视锥细胞，位于视网膜中心,直径1微米左右，负责明视，主要在白天工作，响应速度快。视锥细胞可以感受红绿蓝三原色，其中红光绿光都是严格单模工作，蓝光的外段也是单模工作。人眼内还有视杆细胞，负责暗视，内段直径在2微米，负责夜里工作，反映慢。
梁教授说，他在全世界最早提出视锥细胞是单模光电探测器的说法，而且他发现视杆细胞的内段也是单模结构。从视细胞的几何结构来看，根据其折射率差算出归一化频率完全符合单模的条件。单模意味着响应速度更快。
更进一步，梁教授认为视细胞不仅是一般探测器，而且是APD探测器。他发现，视细胞的结构和APD一一对应，也可以用SAGCM （separated absorption grading charge multiplexing）结构来解释，吸收区和倍增区分开，而且后续的功能结构也相同，包括了时钟恢复，信号平衡等。
此外，人眼视细胞中的视锥细胞和视杆细胞还是天然的量子阱半导体光电探测器。视杆和视锥外段是由成千上万膜盘平行摆列而成的，其中视杆和视锥每个膜盘的厚度约为3.5-7.5nm。由于膜盘厚度很窄，载流子（半导体中的电子或空穴）被限制在膜盘平面内移动，因而能够产生很强的量子效应。这样的结构决定，尽管人眼中的视细胞多达1亿个，但其总耗能却很小，平均下来，每个视细胞的耗能远远低于目前光通信中使用的光收发器模块。
梁教授认为，人们完全可以尝试仿照视锥细胞设计未来的高速光电探测器及其阵列, 仿照视杆细胞可探测单个光子的功能，设计灵敏度非常高的探测器。仿照视细胞的量子阱结构，开发更低功耗的光器件。
梁教授说，他对人眼和光通信关系的研究，得到了从高锟到林清隆教授等许多大家的支持。瑞典诺贝尔评奖委员会的主席邀请他去瑞典就此作特邀报告。有关文章投给了自然杂志一份子刊。

人体也是光纤通信系统

如果是人体也是光纤通信系统，许多人一定会哑然失笑，可是梁教授就是这么说的，而且坚定地认为一定是这样。从年轻时代就喜欢研究中国传统医学和经络理论的梁教授喜欢做的，就是将西方先进的科技和东方传统智慧结合起来。
在传统的光纤系统中所用的光纤，有些是石英光纤，有些是塑料光纤，有些部分还可以看成掺铒光纤。他说，人体中很多结构都可以看成是光纤人体内经络，胶原纤维，神经，毛细血管，甚至头发都可以看成是传光的波导。他认为，人体光网络内最典型的波长是10微米左右的光。这是因为人体体温37摄氏度，黑体辐射波长刚好是远红外波长，波长10微米左右。刚好大气窗口也是10微米。所以人发出的波长可以在大气中传很远，方便夜视仪等来检测。梁教授还用中医理论解释，人体甚至是一个WDM系统。从中医理论可以发现，肺主白色，心主红色，肝主青色，肾脏主黑色，这不就是WDM系统吗？
梁教授说，人体不仅是光纤通信系统，还是针对体温，应力等的分布式光纤传感系统，分布式控制系统。这就如同最新一代的分布式电脑网络一样。中医里讲心肝脾胃肾，每样都和人的健康，人的情绪有关，就是这个意思。
人体的这套系统，同样有仿生价值。梁教授举例说，当年日本人总结海啸的经验是海边不放主干线。实际上，人体内经络远离皮肤表面，一般外伤不会影响经络，正是这样的结构。
说起经络，许多人至今认为是无稽之谈。梁教授对此有他自己的理论。比如对穴位的认定，他说有人做过实验验证穴位附近温度高一些，1.5度，0.5度都可能。同时，针灸的时候，会发现穴位附件磷和钙的浓度提高200多倍，这会改变光波导的折射率，实现经络通畅。
梁教授说，虽然国内至今许多人对中医理论嗤之以鼻，不过他仍然相信能用他的研究去验证传统中医理论的价值。实际上，国内还有许多高校的老师都持类似的观点，他并非孤军奋战。

学生时代，梁安辉教授就以聪敏好学知名。20年过去，他依然不改自己的风格，从来不怕提出自己的观点，总是勇于开拓前人没有做过的领域。梁教授的仿生光通信理论令编辑耳目一新，他的结合东方智慧西方科技的理想深具吸引力，他的工作展现了无比美好的前景。梁教授说，他非常欢迎对他的研究工作有兴趣，有热情的学者，学生，企业加入他们的研究工作。 

附录：梁安辉教授简历

梁安辉教授本科以优异成绩毕业于电子科技大学。在清华攻读硕士期间，发表5篇SCI文章，为清华当时最为多产的学生。之后在香港中文大学电子工程系光纤专业取得博士学位，博士论文被评为当时全校仅有的两篇优秀博士论文。
博士毕业后，梁安辉教授曾在美国、日本等国家从事尖端的光纤通信及生物光学方面的学术及研发工作二十余载。曾在多家美国著名的企业担任高级研发职位。如曾在Tyco Submarine Systems（其前身为著名的AT&T贝尔实验室）担任资深研究员，当时在世界最著名的三大华裔科学家之一的林清隆教授的实验室从事海底光纤通信的研究工作。曾在富士通通信，Stratalight（被Opnext收购），华为美国分部，Infinera， Emcore等担任高级研发职位（如曾任Emcore的原Intel光纤分部的 Senior Principal Engineer）。
梁安辉教授为IEEE的高级会员；有多项重要的美国发明专利及申请。在国际著名杂志，会议等发表60余篇科研论文，并在多个国际会议中做特邀报告。
梁安辉教授先后有幸受到多位光通信领域名师指点，他的老师、导师或老板中包括多名著名科学家，如诺贝尔奖获得者光纤之父高琨教授（香港中文大学）、诺贝尔奖提名者Akira Hasegawa教授（大阪大学）、世界最著名的三大华裔光通信专家之一IEEE/OSA院士林清隆教授（原贝尔实验室技术总监）、OSA院士范崇澄（清华大学）。
梁安辉是国家“千人计划”获得者，国家特聘专家，“千人计划”全国代表大会代表，南京邮电大学学术委员会副主任，南京邮电大学光通信与生物光学研究中心主任，南京邮电大学校长专聘教授，博士生导师。
梁安辉教授还曾担任湖北省特聘专家。曾任武汉邮电科学研究院特聘专家，武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室首席科学家（系统和模块）， WTD首席科学家（模块）。担任国家“千人计划”，“千人计划”的面试及函评评委，以及省市级的项目评审组长或评委。曾任湖北省留学人员协会理事，武汉市高层次人才协会理事。
梁安辉教授的主要发明（发现）包括：
(1). 设计了世界上首个商用的40G光收发器，产生了3亿多美元的巨大经济效益。
(2).与诺贝尔奖提名者Akira Hasegawa教授一起在世界上首先提出了新的光脉冲的转换限判据，并发现此判据比传统的海森堡测不准原理更为精确。
(3).在世界上首次提出了人类的视细胞为量子阱光电探测器的理论，并发现视细胞是APD探测器。在世界上首次发现了视锥细胞乃单模光波导，而人类直到21世纪才使用人造的单模光电探测器。在世界上首次开创了仿生光通信的学科。
(4). 1992年在世界上首先提出了经络是光纤的理论，该理论后来被他人用实验部分证实。这些工作均是重大且意义深远的工作。
其他重要贡献还包括：
(5). 为世界上首个可调谐XFP及世界上唯一商用的窄线宽可调谐激光器做出了关键性贡献; 
(6). 为世界上最先进的基于PIC的光收发器做出了关键性贡献。
(7). 发明了一种突破性技术可使最重要的性能指标Q改进达5.4dB, 这是除著名的FEC（前向纠错码）技术外的唯一可改进Q超过5dB的技术。
(8).在世界上首先发现了在色散补偿系统中的四波混频振荡条件。
(9).在世界上首先发明了一种新的光纤密集周期光纤, 从而开辟了一个新的研究领域, 密集周期光纤已成为一个关键词。
(10).为华为40G做出了关键性贡献。
(11).所设计的色散管理系统广泛应用于世界各纤地的40G光纤通信系统中。
(12).在光及光波导传输特性的研究方面做出了重大贡献。