用极速激光改变信息世界——记清华大学电子工程系特聘研究员陈宏伟

本刊记者 徐 赛

陈宏伟在澳大利亚国际会议颁奖晚宴上

初见于陈宏伟，全无想象中科学家的刻板和单调，休闲的装束、专注的眼神，这一切让陈宏伟显得平和亲切。他很健谈，并且极富耐心，这让记者的采访丰富而精彩。

持之以恒，让不可能成为可能，这是很多科学家的真实写照。陈宏伟也是如此，他的主攻方向是光通信网络及光

信息处理，细化到光纤通信及网络、微波光子学、超高速激光成像等分支后，所有的研究铺展开来，就像登到一座山的山顶，接下来要做的就是循着一条条小径，脚踏实地走。

中国光纤通信网络的领跑者

将拥有6亿网民的“网络大国”建设成为信息基础设施高度普及、网络与信息安全可靠、核心技术自主研发、人才队伍强大的“网络强国”，是我国信息通信业新的历史使命，也是习近平总书记对我国网络信息发展的定位，“要从国际国内大势出发，总体布局，统筹各方，创新发展，努力把我国建设成为网络强国。”

建设和普及信息基础设施是从网络大国迈向网络强国的前提。光纤通信是信息基础设施的基石。在这里，创新和技术面临了新的机遇和挑战。近十年来，陈宏伟在这一领域默默学习、潜心钻研。

上世纪90年代，贝尔实验室提出，光标签技术将成为未来光分组交换网络的关键技术。当时还是清华大学电子工程系学生的陈宏伟对此产生了浓厚的兴趣，他选择了对光标签交换的方向，并针对高速（>40Gb/s）光分组交换网络中的光标签处理关键技术进行了研究。经过长期的反复试验，他提出了一种高频谱效率的正交偏振复用光标签格式，不仅克服了传统波长标签的频谱浪费现象和串行标签的同步困难，而且简化了接收端操作。

凭借以上成果，陈宏伟在读博期间获得了2004年亚太光通信会议最佳学生论文奖。同时，他还提出了正交标签的改写方法，把传统光标签处理的过程从两步简化为一步操作，大大降低了标签处理的延时并提高了稳定性。他提出并实现的多种基于光码分多址（OCDM）技术的光标签方案，研究结果发表于本领域顶级的国际学术期刊，申请了国内发明专利4项，均获得授权。相关研究成果也因此获得2007年北京市科学技术奖三等奖。

随着研究的深入，陈宏伟将视线锁定在前沿领域。在光纤通信技术方面，高速光正交频分复用技术（O-OFDM）被广泛认为是下一代高速长距离光纤通信的关键技术，但是由于受到模数/数模转换(DAC/ADC)速率及光电器件带宽的限制，国际上大多数研究仅停留在离线接收的实验室阶段，在线系统速率很低。

为了解决这个难题，陈宏伟带领团队在实验室开展了长久的攻坚。经过不懈努力，最终他们在国际上首次提出并实现了基于高速光采样的全光正交频分复用技术，充分利用光学信号处理的宽带和并行特性，有效克服了DAC/ADC的电子瓶颈限制，实现可以通过全光OFDM的复用器及解复用器添加循环前缀，可使用商用的直接检测器件而避免了复杂的相干检测。

在此理论基础上，他又依托实验室的光纤光栅制作技术，实现了具有自主知识产权的基于全光离散傅里叶变换的OFDM复用器和解复用器生产，并在国内率先推出100Gb/s和1Tb/s的单光源全光采样OFDM实时传输系统，频谱效率超过3bit/s/Hz。相关成果在国际光子与光电子学会议上作邀请报告。2011年，应国际光信号处理领域专家IEEE Fellow Kitayama教授全额资助的邀请，陈宏伟参加了在日本大阪大学举行的高速光OFDM系统的国际研讨会，并针对以上成果作了邀请报告。

专家简介：

陈宏伟，清华大学电子工程系特聘研究员。国际电子电气工程师协会（IEEE）会员、美国光学学会（OSA）会员、中国光学学会（COS）会员及多个国际会议技术委员会委员。在光传输系统的容量提升、快速灵活的光子交换、微波光子系统中信号的传输与处理及高速成像技术等方面承担了多项科研项目并取得了一系列创新性成果。

曾获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金支持，UCLA杰出国际访问学者称号，教育部高校科研优秀成果奖二等奖，北京市科学技术奖三等奖，入选教育部新世纪优秀人才支持计划及国家高层次人才特殊支持计划。在业内权威学术刊物和国际会议上发表高水平学术论文百余篇，SCI索引文章超过60篇，SCI期刊他人引用超过430次，EI索引文章53篇，授权国家发明专利11项。多次应邀为IEEE PTL、IEEE JSTQE、Optics Letters、Optics Express、Optical Engineering等国际知名刊物审稿。

是学霸，也是清华才子

1997年夏天，陈宏伟在当地成了名人。那一年，他是内蒙古的高考理科状元，并以高分考入了清华大学。从小就表现良好、成绩优异的他，经过十年寒窗苦读，终于圆了儿时的清华梦。

在采访中，陈宏伟说，至今他还清楚地记得刚进入清华园的那种无比兴奋的心情，像是走入了一个全新的世界。从此，陈宏伟开始了与清华大学电子工程系难以割舍的情缘。

进入高手如云的清华大学，陈宏伟更是有意识地锤炼自己，精进学业，实验室、自习室和图书馆成了他最常出现的地方。功夫不负有心人，4年后，他以优异的成绩取得学士学位，并被选拔为直博生，跟随周炳琨院士在清华继续攻读。2006年，他顺利取得博士学位，并获得清华大学优秀博士论文一等奖及清华大学优秀博士毕业生等荣誉，成了名副其实的清华才子。

在清华的九年求学生涯中，陈宏伟感触颇深。“清华真的是个培养人才的地方。”他不禁动情地说道，尤其是在读研究生以后，那些老教授们对科学的实事求是的态度和独特的人格魅力深深感染了他，使他不自觉地就把他们当成了学习的榜样。

清华大学信息光电研究所是周炳琨院士一手创建起来的，也是他带领着大家真正把激光技术推行到实用当中去。从那时起，在导师周炳琨院士的感染下，陈宏伟对自己的光通信专业产生了比较深厚的感情，并作为了自己一生为之奋斗的事业。

开拓微波光子学研究

微波光子技术是近年来光信息处理领域研究的热点，主要思想是利用光学信号处理的大带宽和低损耗特性进行高频微波信号的处理，这引起了各国大学和研究机构的密切关注。2006年博士毕业后，陈宏伟在国内较早开展了微波光子学的研究，重点研究光生微波信号和微波光子滤波技术，在清华大学开辟了微波光子学研究的新领域，并得到了多个国家级项目的支持。他在此领域发表的论文SCI总引用超过200次。

多年来，陈宏伟还带领团队在国内率先开展了超宽带（UWB）信号的光学产生方法的研究。通过单光源偏振调制和时延控制，他们成功实现了一阶UWB信号的产生。同时，利用半导体光放大器中的瞬态效应，实现了二阶UWB信号的产生，理论与实验非常吻合。由于方案简明、结果准确，该成果获得了较多的国际同行引用。毫米波的产生与传输是微波领域的一个难题，陈宏伟带领团队重点研究了高频微波载波的光学产生方法，并进行光纤链路长距离传输，提出了基于光学的非线性拍频效应产生微波信号，实现了最多18倍频的毫米波信号产生和不低于20km的传输。

微波光子技术另外一个重要的方面是微波光子滤波技术，即通过对光载微波信号的控制最终实现微波信号的滤波，具有普通微波技术所无法实现的超大工作带宽。陈宏伟提出了一种简单直观的任意响应微波光子滤波器的设计理论，通过光纤中的色散与偏振模弥散效应构建具有复杂系数的滤波单元，通过基本滤波单元的线性组合获得复杂滤波效应。此外，他还在国际上首次利用微波光子滤波器的方法，产生了多频带的超宽带信号，研究结果发表于本领域顶级会议OFC上，被国际同行正面引用为国际上首创的工作。

为了拓宽自己的科研视角，2011年，陈宏伟前往UCLA进行了为期一年的访问学者研究。同样因其卓越的科研能力得到访问学校的一致认可，他被评为“2012年UCLA杰出国际访问学者”。

掌握了微波光子技术，如何将技术应用到研究中并形成自己新的研究呢？陈宏伟一边做研究，一边在思考。当时，在宽带接入的需求牵引下，他找到了自己的研究方向，那就是结合在微波光子技术上的研究基础，开展面向未来宽带有线与无线融合的接入系统与关键技术——光载无线传输技术(Radio over fiber-RoF)。这项技术可以有效地把无线通信的灵活性和光纤通信的宽带性结合在一起，充分发挥各自的特长，被认为是未来宽带接入的有效手段。

永远走在前沿的路上。陈宏伟带领团队又一次在国内较早开展了RoF系统研究，搭建了国内首个载波频率为60GHz、数据率为1.25Gb/s的RoF演示系统，演示宽带光纤接入系统与无线接入系统的WDM混合传输与资源配置，使得单用户端能够同时进行有线和无线的高速通信功能。

功夫不负有心人。团队取得的相关研究成果在亚太微波光子学会议（APMP）上得以展现。而最令陈宏伟自豪的是，他指导学生发表的论文获得了2009年亚太微波光子学会议（APMP）最佳学生论文奖。

培根曾说，科学的真正的与合理的目的在于造福于人类生活，用新的发明和财富丰富人类生活。技术有了，但是问题也来了，用户对接入端成本非常敏感。为解决这个问题，陈宏伟提出了远端载波随路传输的方案，这样就简化了用户端机的结构，成功实现了远端下变频双向60GHz光载无线系统方案。为克服电子器件在60GHz频段产生信号的困难，他还提出了一种全光毫米波复杂信号调制，利用成熟的高速光调制器件，在光域完成目标矢量信号的调制并直接经由光纤传输到基站。而在基站只通过简单的光电转换即可直接得到已下变频到60GHz波段的目标矢量信号。

课题组研究骨干

基于此项研究，陈宏伟团队实现了60GHz频段数据率622Ms/s的QPSK信号产生并进行了50km光纤链路传输，获得了无误码接收。不仅如此，他们还搭建了光纤超宽带实验系统平台，成功实现了2Gb/s以上的光生UWB信号传输系统。在国家自然科学基金委的支持下，陈宏伟所在的实验室与英国Heriot-Watt大学合作，成功实现了基于对称调制结构的多种UWB信号产生与传输实验，获得了辐射效率大于57%的多种调制格式的UWB传输系统。相关成果也因此获得2012年教育部高等学校科研优秀成果奖（自然科学）二等奖。

实现中国超高速激光成像

光学成像是用于科学研究及工业生产中的非常重要的感知和检测手段，有很多的应用需要提高成像的时间分辨率，即高速成像。当前CCD或CMOS成像器是迄今为止应用最广泛的光学成像技术，它能以较低的成本提供几微米的空间分辨率。典型的消费型成像系统的帧率大概为30Hz，高端相机可以通过减少像素数目达到超过1kHz的帧率。

面对高速成像的限制，陈宏伟带领团队利用高速光纤通信中信号接收技术，于2012年开展针对超高速成像瓶颈的研究，提出了利用高速主动锁模激光器与时域傅里叶展宽结合的方式进行超高速成像，获得了扫描成像速度在10亿帧/秒的超高速扫描激光成像，比目前的成像速度提高了6个数量级，成为中国超高速激光成像的实现者。该成果发表于在日本东京召开的2013年环太平洋激光与光电会议（CLEO-PR）的Postdeadline论文，成为唯一来自中国大陆的PDP论文。2014年，陈宏伟带领的课题组利用非相干多波长连续光源，进一步结合波分复用技术，将连续扫描成像的速率进一步提高到了2GHz，即20亿帧/秒的成像速度，该成果获得了在澳大利亚墨尔本召开的光电子与通信会议的最佳学生论文奖。这种技术大大提升了人们对超快成像技术的认识，并且可以为未来多个领域带来巨大的应用前景，包括生物监测、平面扫描、快速科学现象研究等。

从事科学研究这么多年以来，科研几乎占据陈宏伟所有的时间，他甚至记不清有多少个夜晚是在实验室中度过，而学界的肯定和荣誉的光环也同样回馈给了他人生的精彩。他在业内权威学术刊物和国际会议上发表高水平学术论文超过100篇，SCI索引文章超过60篇，SCI期刊他人引用超过430次，授权国家发明专利11项。除此之外，他还获得了2013年自然科学基金委优秀青年基金、2012年中组部首批青年拔尖人才支持计划、2010年教育部新世纪优秀人才计划、2007年清华大学骨干人才支持计划等多项人才支持计划。

超高速成像系统展示

耐心指导学生做科研

这些年，他所在的科研团队与美国UCLA、日本东京大学、日本NICT研究所、香港大学、英国Heriot-Watt大学等多所国际知名大学与研究机构一直保持着紧密的合作关系，这在很大程度上提升了国内的科研实力并且具有一定的国际影响。

关于创新，陈宏伟认为，任何事情都不是突变的，都是一个慢慢累积的结果，而创新是很难的东西，尤其是有用的创新，量变积累到一定程度才能促成创新的质变。他自己是这么做的，对团队成员也是这么要求的。对未来，陈宏伟希望，能带领团队利用基础知识做更多交叉学科的应用，进一步推进高速光纤通信技术向前发展，把超高速成像技术做成通用的仪器，实现我国在高速成像领域及核心技术方面的突破。

“科研的魅力就来源于对未知的探索”，保持着这份科研原动力，陈宏伟享受着科研的这一份乐趣。他希望，用极速光通信改变这个世界的同时，服务于人们的生活。