用極速激光改變信息世界——記清華大學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際會議頒獎晚宴上

初見于陳宏偉，全無想象中科學家的刻板和單調，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，這是很多科學家的真實寫照。陳宏偉也是如此，他的主攻方向是光通信網絡及光

信息處理，細化到光纖通信及網絡、微波光子學、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，腳踏實地走。

中國光纖通信網絡的領跑者

將擁有6億網民的“網絡大國”建設成為信息基礎設施高度普及、網絡與信息安全可靠、核心技術自主研發、人才隊伍強大的“網絡強國”，是我國信息通信業新的歷史使命，也是習近平總書記對我國網絡信息發展的定位，“要從國際國內大勢出發，總體布局，統籌各方，創新發展，努力把我國建設成為網絡強國。”

建設和普及信息基礎設施是從網絡大國邁向網絡強國的前提。光纖通信是信息基礎設施的基石。在這里，創新和技術面臨了新的機遇和挑戰。近十年來，陳宏偉在這一領域默默學習、潛心鉆研。

上世紀90年代，貝爾實驗室提出，光標簽技術將成為未來光分組交換網絡的關鍵技術。當時還是清華大學電子工程系學生的陳宏偉對此產生了濃厚的興趣，他選擇了對光標簽交換的方向，并針對高速（>40Gb/s）光分組交換網絡中的光標簽處理關鍵技術進行了研究。經過長期的反復試驗，他提出了一種高頻譜效率的正交偏振復用光標簽格式，不僅克服了傳統波長標簽的頻譜浪費現象和串行標簽的同步困難，而且簡化了接收端操作。

憑借以上成果，陳宏偉在讀博期間獲得了2004年亞太光通信會議最佳學生論文獎。同時，他還提出了正交標簽的改寫方法，把傳統光標簽處理的過程從兩步簡化為一步操作，大大降低了標簽處理的延時并提高了穩定性。他提出并實現的多種基于光碼分多址（OCDM）技術的光標簽方案，研究結果發表于本領域頂級的國際學術期刊，申請了國內發明專利4項，均獲得授權。相關研究成果也因此獲得2007年北京市科學技術獎三等獎。

隨著研究的深入，陳宏偉將視線鎖定在前沿領域。在光纖通信技術方面，高速光正交頻分復用技術（O-OFDM）被廣泛認為是下一代高速長距離光纖通信的關鍵技術，但是由于受到模數/數模轉換(DAC/ADC)速率及光電器件帶寬的限制，國際上大多數研究僅停留在離線接收的實驗室階段，在線系統速率很低。

為了解決這個難題，陳宏偉帶領團隊在實驗室開展了長久的攻堅。經過不懈努力，最終他們在國際上首次提出并實現了基于高速光采樣的全光正交頻分復用技術，充分利用光學信號處理的寬帶和并行特性，有效克服了DAC/ADC的電子瓶頸限制，實現可以通過全光OFDM的復用器及解復用器添加循環前綴，可使用商用的直接檢測器件而避免了復雜的相干檢測。

在此理論基礎上，他又依托實驗室的光纖光柵制作技術，實現了具有自主知識產權的基于全光離散傅里葉變換的OFDM復用器和解復用器生產，并在國內率先推出100Gb/s和1Tb/s的單光源全光采樣OFDM實時傳輸系統，頻譜效率超過3bit/s/Hz。相關成果在國際光子與光電子學會議上作邀請報告。2011年，應國際光信號處理領域專家IEEE Fellow Kitayama教授全額資助的邀請，陳宏偉參加了在日本大阪大學舉行的高速光OFDM系統的國際研討會，并針對以上成果作了邀請報告。

專家簡介：

陳宏偉，清華大學電子工程系特聘研究員。國際電子電氣工程師協會（IEEE）會員、美國光學學會（OSA）會員、中國光學學會（COS）會員及多個國際會議技術委員會委員。在光傳輸系統的容量提升、快速靈活的光子交換、微波光子系統中信號的傳輸與處理及高速成像技術等方面承擔了多項科研項目并取得了一系列創新性成果。

曾獲得國家自然科學基金委優秀青年科學基金支持，UCLA杰出國際訪問學者稱號，教育部高校科研優秀成果獎二等獎，北京市科學技術獎三等獎，入選教育部新世紀優秀人才支持計劃及國家高層次人才特殊支持計劃。在業內權威學術刊物和國際會議上發表高水平學術論文百余篇，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，授權國家發明專利11項。多次應邀為IEEE PTL、IEEE JSTQE、Optics Letters、Optics Express、Optical Engineering等國際知名刊物審稿。

是學霸，也是清華才子

1997年夏天，陳宏偉在當地成了名人。那一年，他是內蒙古的高考理科狀元，并以高分考入了清華大學。從小就表現良好、成績優異的他，經過十年寒窗苦讀，終于圓了兒時的清華夢。

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

進入高手如云的清華大學，陳宏偉更是有意識地錘煉自己，精進學業，實驗室、自習室和圖書館成了他最常出現的地方。功夫不負有心人，4年后，他以優異的成績取得學士學位，并被選拔為直博生，跟隨周炳琨院士在清華繼續攻讀。2006年，他順利取得博士學位，并獲得清華大學優秀博士論文一等獎及清華大學優秀博士畢業生等榮譽，成了名副其實的清華才子。

在清華的九年求學生涯中，陳宏偉感觸頗深。“清華真的是個培養人才的地方。”他不禁動情地說道，尤其是在讀研究生以后，那些老教授們對科學的實事求是的態度和獨特的人格魅力深深感染了他，使他不自覺地就把他們當成了學習的榜樣。

清華大學信息光電研究所是周炳琨院士一手創建起來的，也是他帶領著大家真正把激光技術推行到實用當中去。從那時起，在導師周炳琨院士的感染下，陳宏偉對自己的光通信專業產生了比較深厚的感情，并作為了自己一生為之奮斗的事業。

開拓微波光子學研究

微波光子技術是近年來光信息處理領域研究的熱點，主要思想是利用光學信號處理的大帶寬和低損耗特性進行高頻微波信號的處理，這引起了各國大學和研究機構的密切關注。2006年博士畢業后，陳宏偉在國內較早開展了微波光子學的研究，重點研究光生微波信號和微波光子濾波技術，在清華大學開辟了微波光子學研究的新領域，并得到了多個國家級項目的支持。他在此領域發表的論文SCI總引用超過200次。

多年來，陳宏偉還帶領團隊在國內率先開展了超寬帶（UWB）信號的光學產生方法的研究。通過單光源偏振調制和時延控制，他們成功實現了一階UWB信號的產生。同時，利用半導體光放大器中的瞬態效應，實現了二階UWB信號的產生，理論與實驗非常吻合。由于方案簡明、結果準確，該成果獲得了較多的國際同行引用。毫米波的產生與傳輸是微波領域的一個難題，陳宏偉帶領團隊重點研究了高頻微波載波的光學產生方法，并進行光纖鏈路長距離傳輸，提出了基于光學的非線性拍頻效應產生微波信號，實現了最多18倍頻的毫米波信號產生和不低于20km的傳輸。

微波光子技術另外一個重要的方面是微波光子濾波技術，即通過對光載微波信號的控制最終實現微波信號的濾波，具有普通微波技術所無法實現的超大工作帶寬。陳宏偉提出了一種簡單直觀的任意響應微波光子濾波器的設計理論，通過光纖中的色散與偏振模彌散效應構建具有復雜系數的濾波單元，通過基本濾波單元的線性組合獲得復雜濾波效應。此外，他還在國際上首次利用微波光子濾波器的方法，產生了多頻帶的超寬帶信號，研究結果發表于本領域頂級會議OFC上，被國際同行正面引用為國際上首創的工作。

為了拓寬自己的科研視角，2011年，陳宏偉前往UCLA進行了為期一年的訪問學者研究。同樣因其卓越的科研能力得到訪問學校的一致認可，他被評為“2012年UCLA杰出國際訪問學者”。

掌握了微波光子技術，如何將技術應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。當時，在寬帶接入的需求牽引下，他找到了自己的研究方向，那就是結合在微波光子技術上的研究基礎，開展面向未來寬帶有線與無線融合的接入系統與關鍵技術——光載無線傳輸技術(Radio over fiber-RoF)。這項技術可以有效地把無線通信的靈活性和光纖通信的寬帶性結合在一起，充分發揮各自的特長，被認為是未來寬帶接入的有效手段。

永遠走在前沿的路上。陳宏偉帶領團隊又一次在國內較早開展了RoF系統研究，搭建了國內首個載波頻率為60GHz、數據率為1.25Gb/s的RoF演示系統，演示寬帶光纖接入系統與無線接入系統的WDM混合傳輸與資源配置，使得單用戶端能夠同時進行有線和無線的高速通信功能。

功夫不負有心人。團隊取得的相關研究成果在亞太微波光子學會議（APMP）上得以展現。而最令陳宏偉自豪的是，他指導學生發表的論文獲得了2009年亞太微波光子學會議（APMP）最佳學生論文獎。

培根曾說，科學的真正的與合理的目的在于造福于人類生活，用新的發明和財富豐富人類生活。技術有了，但是問題也來了，用戶對接入端成本非常敏感。為解決這個問題，陳宏偉提出了遠端載波隨路傳輸的方案，這樣就簡化了用戶端機的結構，成功實現了遠端下變頻雙向60GHz光載無線系統方案。為克服電子器件在60GHz頻段產生信號的困難，他還提出了一種全光毫米波復雜信號調制，利用成熟的高速光調制器件，在光域完成目標矢量信號的調制并直接經由光纖傳輸到基站。而在基站只通過簡單的光電轉換即可直接得到已下變頻到60GHz波段的目標矢量信號。

課題組研究骨干

基于此項研究，陳宏偉團隊實現了60GHz頻段數據率622Ms/s的QPSK信號產生并進行了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驗系統平臺，成功實現了2Gb/s以上的光生UWB信號傳輸系統。在國家自然科學基金委的支持下，陳宏偉所在的實驗室與英國Heriot-Watt大學合作，成功實現了基于對稱調制結構的多種UWB信號產生與傳輸實驗，獲得了輻射效率大于57%的多種調制格式的UWB傳輸系統。相關成果也因此獲得2012年教育部高等學校科研優秀成果獎（自然科學）二等獎。

實現中國超高速激光成像

光學成像是用于科學研究及工業生產中的非常重要的感知和檢測手段，有很多的應用需要提高成像的時間分辨率，即高速成像。當前CCD或CMOS成像器是迄今為止應用最廣泛的光學成像技術，它能以較低的成本提供幾微米的空間分辨率。典型的消費型成像系統的幀率大概為30Hz，高端相機可以通過減少像素數目達到超過1kHz的幀率。

面對高速成像的限制，陳宏偉帶領團隊利用高速光纖通信中信號接收技術，于2012年開展針對超高速成像瓶頸的研究，提出了利用高速主動鎖模激光器與時域傅里葉展寬結合的方式進行超高速成像，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個數量級，成為中國超高速激光成像的實現者。該成果發表于在日本東京召開的2013年環太平洋激光與光電會議（CLEO-PR）的Postdeadline論文，成為唯一來自中國大陸的PDP論文。2014年，陳宏偉帶領的課題組利用非相干多波長連續光源，進一步結合波分復用技術，將連續掃描成像的速率進一步提高到了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議的最佳學生論文獎。這種技術大大提升了人們對超快成像技術的認識，并且可以為未來多個領域帶來巨大的應用前景，包括生物監測、平面掃描、快速科學現象研究等。

從事科學研究這么多年以來，科研幾乎占據陳宏偉所有的時間，他甚至記不清有多少個夜晚是在實驗室中度過，而學界的肯定和榮譽的光環也同樣回饋給了他人生的精彩。他在業內權威學術刊物和國際會議上發表高水平學術論文超過100篇，SCI索引文章超過60篇，SCI期刊他人引用超過430次，授權國家發明專利11項。除此之外，他還獲得了2013年自然科學基金委優秀青年基金、2012年中組部首批青年拔尖人才支持計劃、2010年教育部新世紀優秀人才計劃、2007年清華大學骨干人才支持計劃等多項人才支持計劃。

超高速成像系統展示

耐心指導學生做科研

這些年，他所在的科研團隊與美國UCLA、日本東京大學、日本NICT研究所、香港大學、英國Heriot-Watt大學等多所國際知名大學與研究機構一直保持著緊密的合作關系，這在很大程度上提升了國內的科研實力并且具有一定的國際影響。

關于創新，陳宏偉認為，任何事情都不是突變的，都是一個慢慢累積的結果，而創新是很難的東西，尤其是有用的創新，量變積累到一定程度才能促成創新的質變。他自己是這么做的，對團隊成員也是這么要求的。對未來，陳宏偉希望，能帶領團隊利用基礎知識做更多交叉學科的應用，進一步推進高速光纖通信技術向前發展，把超高速成像技術做成通用的儀器，實現我國在高速成像領域及核心技術方面的突破。

“科研的魅力就來源于對未知的探索”，保持著這份科研原動力，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世界的同時，服務于人們的生活。