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“千人计划”专家梁安辉:借光纤之眼 铺科研之路

来源:科学中国人 作者:祝传海 2017-09-13 15:33:00

他曾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;他与诺贝尔奖提名者长谷川晃(Akira Hasegawa)教授合作共事,并在世界范围内首次提出了比传统的海森堡测不准原理更为精准的新的光脉冲的转换限判据,令世界大为震惊;他跳出人类视觉细胞的惯性误区,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,并发现了视锥细胞乃单模光波导;他前所未有地在色觉中发现了黄金分割点的存在……

  将光纤通信与中医、色觉机理、黄金分割点、测不准原理等联系在一起,这些发明与发现都与一个共同的名字相连,他就是广东工业大学光纤通信与生物光学尖端研究院院长、光学工程学科带头人梁安辉教授。

  能够在诸多领域做出成绩,与梁安辉对科研的痴迷分不开。因为痴迷科研,他一直在思考,一直在前行,甚至在闲暇之余也不忘钻研。“将光纤通信和视觉、中医进行结合,做出对国家甚至世界有影响力的贡献,使中国文化得到弘扬,增强国人的自信心,并且在光纤通信领域,做出实用性的技术,造福国家和人民,促进世界科技的发展。与此同时,在基础研究领域做出颠覆性的成果,例如,用我们提出的比测不准原理更精确的公式来解释纠缠态,用我们发现的温度的黄金分割点周期表来解释恐龙灭绝。”这是梁安辉心中最大的梦想。

  视觉新突破第一人

  “科学之道,利民之路,调研之基,唯‘新’是也。”创新是梁安辉科学研究道路上不可或缺的一点,也是支撑他走过无数坎坷最重要的一抹色彩,而通向彩色世界另一端的无疑就是我们的眼睛。为什么我们的眼睛能够发现缤纷色彩?梁安辉对此充满好奇,也因此开始摸索色觉机理,希望能够进行一个全方位的认识。

  “在日常生活中,我们经常见到一些色彩鲜明的对比,比如黑白色彩、交通中的红绿灯、股票涨停跌落时所用到的红绿两种颜色等。这些现象都可以用对立色来解释。那么我们能够想到的‘为什么会存在红绿色盲’等问题也就不难理解了。”梁安辉解释道。

  说是不难理解,但一百多年以来,三原色说和对立色学说一直都对峙不下,无数专家学者为此绞尽脑汁、费尽心思,但却一直未找到对立色学说的光学解剖学基础,也让色觉机理的发展之路迟迟不能迈进。随着研究的逐渐深入,梁安辉在世界上首先提出了人眼中央凹相邻视锥细胞为光纤耦合器的观点,他发现一个视锥细胞外纤维部分和内段与相邻的另一个视锥细胞的外纤维和内段部分之间有强烈的耦合,就像类似于光通信系统中广泛使用的波分复用耦合器一样,会形成一个强耦合区。这个观点的提出直接统一了对立了一百多年的两个色觉学说——三原色说和对立色学说。

  “梁安辉攻克了一百多年悬而未解的科学难题,他在前人的色觉三阶段学说基础上加上了一个新的区——强耦合区,使三阶段学说成功升级为四阶段学说,这是一个不曾预料到的突破性进展。”许多专家对梁安辉的发现惊叹不已。不仅如此,梁安辉坚持认为如果使强耦合区和信息加工区相互之间协同作用,将会对色拮抗的产生重要的作用,同时他还利用相邻视锥细胞为光耦合器理论发现了许多重要现象。

  对于梁安辉来说,仅仅发现中心凹相邻视锥是光纤耦合器这一点还远远不够。“廉者,民之表也;贪者,民之贼也。”庆历四年,包拯在《乞不用贪吏疏》中如是说道。在这个人人都被告诫戒“贪”的年代,梁安辉却将在科学上的“贪心”收入囊中,更成为他多年来科研道路上的闪光点。通过不懈的坚持与努力,梁安辉又提出了新的观点:色觉中的黄金分割点。

  众所周知,任何事物都有属于自己的黄金分割点,而在人类文明发现史上,任何一次微小的“发现”都会创造一次翻天覆地的科技之变,色觉中的黄金分割点亦是如此。在此之前,色觉中的黄金分割点还是一片空白的待探索领域,梁安辉就是这个领域敢于吃“螃蟹”的第一人。他在色觉中发现了十几个新的黄金分割点:如人眼蓝视锥细胞和绿视锥细胞吸收峰值之间的黄金分割点、人眼颜色分辨率最好的波长、人眼视杆细胞的吸收峰,这3个点竟然是一致的;而人眼红视锥细胞和绿视锥细胞吸收峰之间的黄金分割点,与人眼强度最敏感波长555纳米及叶绿素的透射波长峰值基本一致;除此之外,人眼绿视锥细胞和红视锥细胞对视觉敏感度曲线中所占的权重也是黄金分割点。

  “视觉中采用黄金分割的直接好处是节能,试想一下,如果当目标恰好位于黄金分割点上,眼睛便可第一时间发现目标,就无需进行更进一步的寻找。这样一来,就可节省寻找步骤,减少能量消耗;相反,如果目标没有位于黄金分割点上,眼睛则会以黄金分割点两侧区域的黄金分割点作为新目标继续寻找,直到发现确定目标为止。节能对动物尤其是高等动物来说非常重要,既可减少其食物消耗又有利于动物的生存,可谓一举两得。”梁安辉说。

  但对于视觉的奥秘来说,这显然还不是最神奇之处。“我所说的研究领域是一个非常重要而且充满趣味的领域,如果将其研究透彻,人类大脑中的奇特之处大部分就能攻破了。”梁安辉表示。他在世界上首次提出视网膜上有三极管,这是人类首次提出生物体内有三极管。他相信动物的脑内也有许多三极管,这对于认识大脑很重要。正是人体中存在大量三极管可以帮助理解为何人能与AlphaGo下围棋,虽略逊一筹,但耗能仅为AlphaGo的两万分之一,AlphaGo有上万亿个三极管。他发现光感受器、双极细胞及相邻两个水平细胞形成一对三极管;双极细胞、无长凸细胞及神经节细胞形成一个三极管;丛间细胞、无长凸细胞及神经节细胞形成另一个三极管。他乘胜追击,发现在视网膜中的电路与光纤通信接收机中用的电路有些类似,于是他借助光纤通信接收机中用的电路模型进行起步研究,大大帮助了梁安辉更加深入地了解视网膜上各个细胞的功能及它们之间的相互作用。他还提出深入研究视网膜上视锥的光纤及电路模型将会揭示色觉的奥秘,并对认识色弱、色盲及其他眼病的机理及治疗有重要意义。

  在步步追击的科研路上,梁安辉一刻都不停留。在梁安辉看来,对视网膜上视锥的光纤、三极管及电路的深刻认识将对研发可以看颜色的人造视网膜研究提供极为重要的帮助,而揭示视杆进行单光子探测的奥秘同样离不开视网膜上视杆的光纤及电路模型,同时也将对视杆单光子探测所用的电子编码方式有更深刻的认识。

  为光纤通信插上梦想的翅膀

  就在今天,说起光纤通信,甚至还有很多人对此感到茫然,一无所知。殊不知,早在上世纪80年代,梁安辉就对此有所涉猎。作为国家“千人计划”入选专家,梁安辉始终都不忘追随国家的脚步。他在《插上梦想的翅膀》一书中阐述了属于自己的“中国梦”。他在书中这样写道:我的中国梦就是“要融合中国古代、现代的智慧及世界各种先进的技术与方法,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。”

  光纤通信,对于梁安辉是极为重要又意义深远的一个研究领域。当初在填报大学志愿时,只因觉得这是一个“高大上”的专业,懵懂的梁安辉就毅然踏上了这条追“光”的旅程。

  也许兴趣才是最好的开端,因此一接触到光纤通信这个领域,梁安辉就再也放不下了。早在1994年,他就在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,指的就是在2个EDFA之间安排多个色散周期,就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。

  “问渠哪得清如许,为有源头活水来”,长期在学术之间徘徊的梁安辉,时常在研究中觉得心有余而力不足,他深感一定要将理论与实践结合起来。抱着这种信念的梁安辉远赴香港、日本、美国等地学习与工作,开发了世界上第一个商用的40G光收发器模块,将学术与产业的结合完美地交出了答卷。虽然在国外让梁安辉看到了不一样的世界,但谈起回国的感受,他还是感慨万分:“如今,国家的发展速度快得难以想象,让我找到了自己的一席之地,更看到了祖国发展的伟大前景,这是一件值得高兴的事情。”

  但回国后的梁安辉一心向往的还是高速光纤通信系统。在2011年时,国际上最高速的光通信实验系统的容量是1Pbps(1P=1000T),离梁安辉设想的100Pbps的光纤传输容量还差的很远。此外,他在100G高速信号传输方面取得了重要进展,相较于比传统的无色散补偿系统性能,用N=2,3的密集周期光纤性能就能得到大大提高,Q值提高到了1.3dB,而电子的非线性补偿方法仅能提高Q值0.5dB。梁安辉与中兴通信公司合作获得了800万元的广东省的应用专项项目,开发新型的非线性补偿器,减少非线性的影响,大大提高100G、400G系统的性能。

  光纤隐藏着太多的奥秘等待去开采,它是通信网的优良传输介质,是信息高速公路的基础,它的问世更使高速率、大容量的通信成为可能,也是目前最主要的信息传输技术。梁安辉认为眼睛是非常精密的光接收系统,其视网膜上分布着多种相互协作的细胞,其中视细胞作为光学系统的光电探测器,也是整个系统中最重要的部分。“不只是眼睛,甚至整个人体都是非常精密的光纤通信系统。如人眼的视杆细胞和视锥细胞(视杆细胞采用多模光纤结构,位于视网膜中心凹的视锥细胞采用单模光纤结构),以及人的头发和经络等。”梁安辉说道。

  视细胞可分为两类,一类是人眼内的视锥细胞,感受强光,位于视网膜中心, 外段直径约1微米左右,主要在白天负责明视工作,反应速度很快。梁安辉还提到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。而与之相对的另一类人眼内的视杆细胞则负责暗视,感受弱光,外段、内段直径均在2微米左右,主要负责夜里工作,反映速度也相对较慢。不仅在视觉领域,即使在光纤通信及其他领域,他也是世界上提出和研究单模探测器的第一人。

  “视细胞是极其节能和优化的光探测器,有许多优越特性值得我们在光探测器设计中借鉴和模仿。”梁安辉介绍道。人眼视杆细胞是异常灵活,结构极其优化,耗能极低的单光子探测器,如果使研究更深入一步,梁安辉认为视细胞不仅是一般的探测器,而且还是APD探测器。他发现,视细胞的结构和APD一一对应,吸收区和倍增区分开,而且后续的功能结构也相同,当然也可以用SAGCM(separated absorption grading charge multiplexing)结构来解释。为大大改善现有APD性能,梁安辉采用仿视杆细胞的办法,通过减小APD面积,进行单光子探测器设计以及采用仿视锥细胞的办法,设计高速大动态范围的APD器件。

  与此同时,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。但由于膜盘厚度很窄,载流子(半导体中的电子或空穴)被限制在膜盘平面内移动,因而会产生很强的量子效应。这样的结构就决定了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。

  “我们完全可以进行多种尝试,仿照视锥细胞设计未来的高速光电探测器及其阵列;仿照视杆细胞探测单个光子的功能,设计灵敏度非常高的探测器;再者仿照视细胞的量子阱结构,开发更低功耗的光器件,这些都不在话下。”梁安辉充满信心地表示。

  “让世界看到中医力量”

  中医是一门博大精深的学问,是研究人体生理、病理以及疾病的诊断和防治等的中国传统医学,更是中国传统文化中的精髓。“人与天地相参,与日月相应”,中医一直将“天人合一”“天人相应”的整体观贯彻其中,认为气是构成天地万物的原始物质,是天地万物之间的中介,使之得以交感相应。“我觉得中医就像一位美丽的新娘,她的红盖头还没有完全被摘开,充满神秘的魅力,我希望通过我们的研究揭开她的红盖头,为中华文化源远流长做出贡献。”梁安辉说。

  如果有人说除了眼睛,人体也是一种光纤通信系统,肯定会有人哑然失笑,梁安辉却不这么想。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。从年轻时代就喜欢研究中国传统医学和经络理论的梁安辉发现除了将光纤与视觉结合起来,人体中的经络也与光纤非常接近。1992年,梁安辉在世界上首次提出了“人体中的经络为光纤”的理论,引起了轩然大波。他认为经络是光纤,中医所说的“气”便是光;在人体的不同部位,经络可以有不同的物质组成,这与光纤通信系统很类似。同时,梁安辉认为:作为光纤,经络又是人体重要的散热通道,如内脏可通过经络这一散热通道,将其产生的热量在穴位处散发出来,所以穴位温度就会比周围高一些。

  梁安辉说:“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和分布式控制系统。这就如同最新一代的分布式电脑网络一样,中医里讲的心肝脾胃肾,都和人的健康、情绪有关,就是说的这个意思。”虽然至今在国内还有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。但实际上,梁安辉并非孤军奋战,还有许许多多的人和他在一起并肩作战。

  “中国文化一直是我所追求的,如果除了四大发明外还能有第五大发明,我认为中医是当之无愧的。”梁安辉表示,“中医实际上属于交叉学科,擅长中医的人并不一定了解光纤通信领域,而从事光纤通信的人又不一定精通中医,而我希望两者能够兼得。”梁安辉一直坚信,有一天能够通过自己所擅长的领域将中国的传统文化发扬光大,他也的确做到了。

  将比测不准原理更为精确的公式运用于量子纠缠态

  梁安辉与诺贝尔奖提名者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。最近他用它来解释量子纠缠态时及量子通信时,发现他的公式比测不准原理精确10^7至10^9倍。现在正处于量子力学第二次革命的开端,关键是如何理解量子力学。他认为可将量子力学的三大基石统一到他的一对新公式中。

  “黄金分割教教主”的恐龙灭绝新理论

  梁安辉酷爱黄金分割点,他发现了许多研究领域中新的黄金分割点,如颜色、温度、人体、听觉、健康、古迹、经济与商贸、人文等。他被许多千人计划专家尊称为“黄金分割教教主”。

  特别有趣的是,他在世界上首先发现了温度的六阶黄金分割点周期表,就像门捷列夫发现的化学元素周期表在化学中起着非常重要的作用一样,温度的黄金分割点也存在类似的周期表。基于温度的黄金分割点周期表,他提出了广义进化论,不仅生物体有进化,他发现光、大气、水、细菌、病毒、人体中的光纤、受精卵及精子都有进化。二阶黄金分割点温度为38.2℃,它与人、哺乳动物、恐龙、鸡、鸟的受精卵温度相近,也与人体中的光纤的温度、大气的最低损耗窗口处的波长所对应的人体的黑体辐射温度及人体最佳免疫力温度基本吻合;他提出了恐龙灭绝新理论,他认为是地球温度升高导致了恐龙受精卵死掉,而不是导致了恐龙本体死掉。他还能用此理论解释候鸟的迁徙、海中的动物(如鲸鱼、海象及三文鱼等)的迁徙,他认为这些动物迁徙的主要原因是让自己的受精卵及婴儿的温度适合生存及初期的生长。

  “读万卷书,行万里路。”于梁安辉来说,头脑和身体总要有一个行走在路上。酷爱旅游的他,时常行走在江边小溪畔,或是登上险峻山峰,这是他找寻轻松与快乐的方法,也是他获得灵感与乐趣的来源。从学生时代就以敏而好学而出名的梁安辉,几十年来依旧“我行我素”,他从不怕挑战也从不畏惧失败,他总是勇于开拓前人没有做过的领域,走出了属于自己的一条“发明”与“发现”之路。

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