用極速激光改變信息世界——記清華大學(xué)電子工程系特聘研究員陳宏偉

本刊記者 徐 賽

陳宏偉在澳大利亞國(guó)際會(huì)議頒獎(jiǎng)晚宴上

初見于陳宏偉，全無想象中科學(xué)家的刻板和單調(diào)，休閑的裝束、專注的眼神，這一切讓陳宏偉顯得平和親切。他很健談，并且極富耐心，這讓記者的采訪豐富而精彩。

持之以恒，讓不可能成為可能，這是很多科學(xué)家的真實(shí)寫照。陳宏偉也是如此，他的主攻方向是光通信網(wǎng)絡(luò)及光

信息處理，細(xì)化到光纖通信及網(wǎng)絡(luò)、微波光子學(xué)、超高速激光成像等分支后，所有的研究鋪展開來，就像登到一座山的山頂，接下來要做的就是循著一條條小徑，腳踏實(shí)地走。

中國(guó)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)跑者

將擁有6億網(wǎng)民的“網(wǎng)絡(luò)大國(guó)”建設(shè)成為信息基礎(chǔ)設(shè)施高度普及、網(wǎng)絡(luò)與信息安全可靠、核心技術(shù)自主研發(fā)、人才隊(duì)伍強(qiáng)大的“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”，是我國(guó)信息通信業(yè)新的歷史使命，也是習(xí)近平總書記對(duì)我國(guó)網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)展的定位，“要從國(guó)際國(guó)內(nèi)大勢(shì)出發(fā)，總體布局，統(tǒng)籌各方，創(chuàng)新發(fā)展，努力把我國(guó)建設(shè)成為網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)?！?/p>

建設(shè)和普及信息基礎(chǔ)設(shè)施是從網(wǎng)絡(luò)大國(guó)邁向網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的前提。光纖通信是信息基礎(chǔ)設(shè)施的基石。在這里，創(chuàng)新和技術(shù)面臨了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。近十年來，陳宏偉在這一領(lǐng)域默默學(xué)習(xí)、潛心鉆研。

上世紀(jì)90年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，光標(biāo)簽技術(shù)將成為未來光分組交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)時(shí)還是清華大學(xué)電子工程系學(xué)生的陳宏偉對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，他選擇了對(duì)光標(biāo)簽交換的方向，并針對(duì)高速（>40Gb/s）光分組交換網(wǎng)絡(luò)中的光標(biāo)簽處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)過長(zhǎng)期的反復(fù)試驗(yàn)，他提出了一種高頻譜效率的正交偏振復(fù)用光標(biāo)簽格式，不僅克服了傳統(tǒng)波長(zhǎng)標(biāo)簽的頻譜浪費(fèi)現(xiàn)象和串行標(biāo)簽的同步困難，而且簡(jiǎn)化了接收端操作。

憑借以上成果，陳宏偉在讀博期間獲得了2004年亞太光通信會(huì)議最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。同時(shí)，他還提出了正交標(biāo)簽的改寫方法，把傳統(tǒng)光標(biāo)簽處理的過程從兩步簡(jiǎn)化為一步操作，大大降低了標(biāo)簽處理的延時(shí)并提高了穩(wěn)定性。他提出并實(shí)現(xiàn)的多種基于光碼分多址（OCDM）技術(shù)的光標(biāo)簽方案，研究結(jié)果發(fā)表于本領(lǐng)域頂級(jí)的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)發(fā)明專利4項(xiàng)，均獲得授權(quán)。相關(guān)研究成果也因此獲得2007年北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

隨著研究的深入，陳宏偉將視線鎖定在前沿領(lǐng)域。在光纖通信技術(shù)方面，高速光正交頻分復(fù)用技術(shù)（O-OFDM）被廣泛認(rèn)為是下一代高速長(zhǎng)距離光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)，但是由于受到模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC/ADC)速率及光電器件帶寬的限制，國(guó)際上大多數(shù)研究?jī)H停留在離線接收的實(shí)驗(yàn)室階段，在線系統(tǒng)速率很低。

為了解決這個(gè)難題，陳宏偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室開展了長(zhǎng)久的攻堅(jiān)。經(jīng)過不懈努力，最終他們?cè)趪?guó)際上首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于高速光采樣的全光正交頻分復(fù)用技術(shù)，充分利用光學(xué)信號(hào)處理的寬帶和并行特性，有效克服了DAC/ADC的電子瓶頸限制，實(shí)現(xiàn)可以通過全光OFDM的復(fù)用器及解復(fù)用器添加循環(huán)前綴，可使用商用的直接檢測(cè)器件而避免了復(fù)雜的相干檢測(cè)。

在此理論基礎(chǔ)上，他又依托實(shí)驗(yàn)室的光纖光柵制作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于全光離散傅里葉變換的OFDM復(fù)用器和解復(fù)用器生產(chǎn)，并在國(guó)內(nèi)率先推出100Gb/s和1Tb/s的單光源全光采樣OFDM實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，頻譜效率超過3bit/s/Hz。相關(guān)成果在國(guó)際光子與光電子學(xué)會(huì)議上作邀請(qǐng)報(bào)告。2011年，應(yīng)國(guó)際光信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)＜襂EEE Fellow Kitayama教授全額資助的邀請(qǐng)，陳宏偉參加了在日本大阪大學(xué)舉行的高速光OFDM系統(tǒng)的國(guó)際研討會(huì)，并針對(duì)以上成果作了邀請(qǐng)報(bào)告。

專家簡(jiǎn)介：

陳宏偉，清華大學(xué)電子工程系特聘研究員。國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）會(huì)員、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）會(huì)員、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（COS）會(huì)員及多個(gè)國(guó)際會(huì)議技術(shù)委員會(huì)委員。在光傳輸系統(tǒng)的容量提升、快速靈活的光子交換、微波光子系統(tǒng)中信號(hào)的傳輸與處理及高速成像技術(shù)等方面承擔(dān)了多項(xiàng)科研項(xiàng)目并取得了一系列創(chuàng)新性成果。

曾獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金支持，UCLA杰出國(guó)際訪問學(xué)者稱號(hào)，教育部高校科研優(yōu)秀成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃及國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃。在業(yè)內(nèi)權(quán)威學(xué)術(shù)刊物和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文百余篇，SCI索引文章超過60篇，SCI期刊他人引用超過430次，EI索引文章53篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利11項(xiàng)。多次應(yīng)邀為IEEE PTL、IEEE JSTQE、Optics Letters、Optics Express、Optical Engineering等國(guó)際知名刊物審稿。

是學(xué)霸，也是清華才子

1997年夏天，陳宏偉在當(dāng)?shù)爻闪嗣?。那一年，他是?nèi)蒙古的高考理科狀元，并以高分考入了清華大學(xué)。從小就表現(xiàn)良好、成績(jī)優(yōu)異的他，經(jīng)過十年寒窗苦讀，終于圓了兒時(shí)的清華夢(mèng)。

在采訪中，陳宏偉說，至今他還清楚地記得剛進(jìn)入清華園的那種無比興奮的心情，像是走入了一個(gè)全新的世界。從此，陳宏偉開始了與清華大學(xué)電子工程系難以割舍的情緣。

進(jìn)入高手如云的清華大學(xué)，陳宏偉更是有意識(shí)地錘煉自己，精進(jìn)學(xué)業(yè)，實(shí)驗(yàn)室、自習(xí)室和圖書館成了他最常出現(xiàn)的地方。功夫不負(fù)有心人，4年后，他以優(yōu)異的成績(jī)?nèi)〉脤W(xué)士學(xué)位，并被選拔為直博生，跟隨周炳琨院士在清華繼續(xù)攻讀。2006年，他順利取得博士學(xué)位，并獲得清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文一等獎(jiǎng)及清華大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生等榮譽(yù)，成了名副其實(shí)的清華才子。

在清華的九年求學(xué)生涯中，陳宏偉感觸頗深?！扒迦A真的是個(gè)培養(yǎng)人才的地方。”他不禁動(dòng)情地說道，尤其是在讀研究生以后，那些老教授們對(duì)科學(xué)的實(shí)事求是的態(tài)度和獨(dú)特的人格魅力深深感染了他，使他不自覺地就把他們當(dāng)成了學(xué)習(xí)的榜樣。

清華大學(xué)信息光電研究所是周炳琨院士一手創(chuàng)建起來的，也是他帶領(lǐng)著大家真正把激光技術(shù)推行到實(shí)用當(dāng)中去。從那時(shí)起，在導(dǎo)師周炳琨院士的感染下，陳宏偉對(duì)自己的光通信專業(yè)產(chǎn)生了比較深厚的感情，并作為了自己一生為之奮斗的事業(yè)。

開拓微波光子學(xué)研究

微波光子技術(shù)是近年來光信息處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，主要思想是利用光學(xué)信號(hào)處理的大帶寬和低損耗特性進(jìn)行高頻微波信號(hào)的處理，這引起了各國(guó)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的密切關(guān)注。2006年博士畢業(yè)后，陳宏偉在國(guó)內(nèi)較早開展了微波光子學(xué)的研究，重點(diǎn)研究光生微波信號(hào)和微波光子濾波技術(shù)，在清華大學(xué)開辟了微波光子學(xué)研究的新領(lǐng)域，并得到了多個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的支持。他在此領(lǐng)域發(fā)表的論文SCI總引用超過200次。

多年來，陳宏偉還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開展了超寬帶（UWB）信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生方法的研究。通過單光源偏振調(diào)制和時(shí)延控制，他們成功實(shí)現(xiàn)了一階UWB信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)，利用半導(dǎo)體光放大器中的瞬態(tài)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了二階UWB信號(hào)的產(chǎn)生，理論與實(shí)驗(yàn)非常吻合。由于方案簡(jiǎn)明、結(jié)果準(zhǔn)確，該成果獲得了較多的國(guó)際同行引用。毫米波的產(chǎn)生與傳輸是微波領(lǐng)域的一個(gè)難題，陳宏偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了高頻微波載波的光學(xué)產(chǎn)生方法，并進(jìn)行光纖鏈路長(zhǎng)距離傳輸，提出了基于光學(xué)的非線性拍頻效應(yīng)產(chǎn)生微波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了最多18倍頻的毫米波信號(hào)產(chǎn)生和不低于20km的傳輸。

微波光子技術(shù)另外一個(gè)重要的方面是微波光子濾波技術(shù)，即通過對(duì)光載微波信號(hào)的控制最終實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的濾波，具有普通微波技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的超大工作帶寬。陳宏偉提出了一種簡(jiǎn)單直觀的任意響應(yīng)微波光子濾波器的設(shè)計(jì)理論，通過光纖中的色散與偏振模彌散效應(yīng)構(gòu)建具有復(fù)雜系數(shù)的濾波單元，通過基本濾波單元的線性組合獲得復(fù)雜濾波效應(yīng)。此外，他還在國(guó)際上首次利用微波光子濾波器的方法，產(chǎn)生了多頻帶的超寬帶信號(hào)，研究結(jié)果發(fā)表于本領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議OFC上，被國(guó)際同行正面引用為國(guó)際上首創(chuàng)的工作。

為了拓寬自己的科研視角，2011年，陳宏偉前往UCLA進(jìn)行了為期一年的訪問學(xué)者研究。同樣因其卓越的科研能力得到訪問學(xué)校的一致認(rèn)可，他被評(píng)為“2012年UCLA杰出國(guó)際訪問學(xué)者”。

掌握了微波光子技術(shù)，如何將技術(shù)應(yīng)用到研究中并形成自己新的研究呢？陳宏偉一邊做研究，一邊在思考。當(dāng)時(shí)，在寬帶接入的需求牽引下，他找到了自己的研究方向，那就是結(jié)合在微波光子技術(shù)上的研究基礎(chǔ)，開展面向未來寬帶有線與無線融合的接入系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)——光載無線傳輸技術(shù)(Radio over fiber-RoF)。這項(xiàng)技術(shù)可以有效地把無線通信的靈活性和光纖通信的寬帶性結(jié)合在一起，充分發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，被認(rèn)為是未來寬帶接入的有效手段。

永遠(yuǎn)走在前沿的路上。陳宏偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)又一次在國(guó)內(nèi)較早開展了RoF系統(tǒng)研究，搭建了國(guó)內(nèi)首個(gè)載波頻率為60GHz、數(shù)據(jù)率為1.25Gb/s的RoF演示系統(tǒng)，演示寬帶光纖接入系統(tǒng)與無線接入系統(tǒng)的WDM混合傳輸與資源配置，使得單用戶端能夠同時(shí)進(jìn)行有線和無線的高速通信功能。

功夫不負(fù)有心人。團(tuán)隊(duì)取得的相關(guān)研究成果在亞太微波光子學(xué)會(huì)議（APMP）上得以展現(xiàn)。而最令陳宏偉自豪的是，他指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表的論文獲得了2009年亞太微波光子學(xué)會(huì)議（APMP）最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。

培根曾說，科學(xué)的真正的與合理的目的在于造福于人類生活，用新的發(fā)明和財(cái)富豐富人類生活。技術(shù)有了，但是問題也來了，用戶對(duì)接入端成本非常敏感。為解決這個(gè)問題，陳宏偉提出了遠(yuǎn)端載波隨路傳輸?shù)姆桨?，這樣就簡(jiǎn)化了用戶端機(jī)的結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端下變頻雙向60GHz光載無線系統(tǒng)方案。為克服電子器件在60GHz頻段產(chǎn)生信號(hào)的困難，他還提出了一種全光毫米波復(fù)雜信號(hào)調(diào)制，利用成熟的高速光調(diào)制器件，在光域完成目標(biāo)矢量信號(hào)的調(diào)制并直接經(jīng)由光纖傳輸?shù)交?。而在基站只通過簡(jiǎn)單的光電轉(zhuǎn)換即可直接得到已下變頻到60GHz波段的目標(biāo)矢量信號(hào)。

課題組研究骨干

基于此項(xiàng)研究，陳宏偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了60GHz頻段數(shù)據(jù)率622Ms/s的QPSK信號(hào)產(chǎn)生并進(jìn)行了50km光纖鏈路傳輸，獲得了無誤碼接收。不僅如此，他們還搭建了光纖超寬帶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了2Gb/s以上的光生UWB信號(hào)傳輸系統(tǒng)。在國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，陳宏偉所在的實(shí)驗(yàn)室與英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)合作，成功實(shí)現(xiàn)了基于對(duì)稱調(diào)制結(jié)構(gòu)的多種UWB信號(hào)產(chǎn)生與傳輸實(shí)驗(yàn)，獲得了輻射效率大于57%的多種調(diào)制格式的UWB傳輸系統(tǒng)。相關(guān)成果也因此獲得2012年教育部高等學(xué)校科研優(yōu)秀成果獎(jiǎng)（自然科學(xué)）二等獎(jiǎng)。

實(shí)現(xiàn)中國(guó)超高速激光成像

光學(xué)成像是用于科學(xué)研究及工業(yè)生產(chǎn)中的非常重要的感知和檢測(cè)手段，有很多的應(yīng)用需要提高成像的時(shí)間分辨率，即高速成像。當(dāng)前CCD或CMOS成像器是迄今為止應(yīng)用最廣泛的光學(xué)成像技術(shù)，它能以較低的成本提供幾微米的空間分辨率。典型的消費(fèi)型成像系統(tǒng)的幀率大概為30Hz，高端相機(jī)可以通過減少像素?cái)?shù)目達(dá)到超過1kHz的幀率。

面對(duì)高速成像的限制，陳宏偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用高速光纖通信中信號(hào)接收技術(shù)，于2012年開展針對(duì)超高速成像瓶頸的研究，提出了利用高速主動(dòng)鎖模激光器與時(shí)域傅里葉展寬結(jié)合的方式進(jìn)行超高速成像，獲得了掃描成像速度在10億幀/秒的超高速掃描激光成像，比目前的成像速度提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)，成為中國(guó)超高速激光成像的實(shí)現(xiàn)者。該成果發(fā)表于在日本東京召開的2013年環(huán)太平洋激光與光電會(huì)議（CLEO-PR）的Postdeadline論文，成為唯一來自中國(guó)大陸的PDP論文。2014年，陳宏偉帶領(lǐng)的課題組利用非相干多波長(zhǎng)連續(xù)光源，進(jìn)一步結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，將連續(xù)掃描成像的速率進(jìn)一步提高到了2GHz，即20億幀/秒的成像速度，該成果獲得了在澳大利亞墨爾本召開的光電子與通信會(huì)議的最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。這種技術(shù)大大提升了人們對(duì)超快成像技術(shù)的認(rèn)識(shí)，并且可以為未來多個(gè)領(lǐng)域帶來巨大的應(yīng)用前景，包括生物監(jiān)測(cè)、平面掃描、快速科學(xué)現(xiàn)象研究等。

從事科學(xué)研究這么多年以來，科研幾乎占據(jù)陳宏偉所有的時(shí)間，他甚至記不清有多少個(gè)夜晚是在實(shí)驗(yàn)室中度過，而學(xué)界的肯定和榮譽(yù)的光環(huán)也同樣回饋給了他人生的精彩。他在業(yè)內(nèi)權(quán)威學(xué)術(shù)刊物和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文超過100篇，SCI索引文章超過60篇，SCI期刊他人引用超過430次，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利11項(xiàng)。除此之外，他還獲得了2013年自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、2012年中組部首批青年拔尖人才支持計(jì)劃、2010年教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃、2007年清華大學(xué)骨干人才支持計(jì)劃等多項(xiàng)人才支持計(jì)劃。

超高速成像系統(tǒng)展示

耐心指導(dǎo)學(xué)生做科研

這些年，他所在的科研團(tuán)隊(duì)與美國(guó)UCLA、日本東京大學(xué)、日本NICT研究所、香港大學(xué)、英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)等多所國(guó)際知名大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)一直保持著緊密的合作關(guān)系，這在很大程度上提升了國(guó)內(nèi)的科研實(shí)力并且具有一定的國(guó)際影響。

關(guān)于創(chuàng)新，陳宏偉認(rèn)為，任何事情都不是突變的，都是一個(gè)慢慢累積的結(jié)果，而創(chuàng)新是很難的東西，尤其是有用的創(chuàng)新，量變積累到一定程度才能促成創(chuàng)新的質(zhì)變。他自己是這么做的，對(duì)團(tuán)隊(duì)成員也是這么要求的。對(duì)未來，陳宏偉希望，能帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用基礎(chǔ)知識(shí)做更多交叉學(xué)科的應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)高速光纖通信技術(shù)向前發(fā)展，把超高速成像技術(shù)做成通用的儀器，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在高速成像領(lǐng)域及核心技術(shù)方面的突破。

“科研的魅力就來源于對(duì)未知的探索”，保持著這份科研原動(dòng)力，陳宏偉享受著科研的這一份樂趣。他希望，用極速光通信改變這個(gè)世界的同時(shí)，服務(wù)于人們的生活。