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韬“光”养晦 探索大“纤”世界——山东科技大学梁安辉教授

2021-09-16

 

光纤通信、色觉机理、黄金分割点、海森堡测不准原理,这些看似千差万别的领域被山东科技大学电子信息工程学院二级教授、国家高层次人才、光纤通信与生物光学交叉学科研究中心主任梁安辉博士以“光纤”巧妙地联系在一起,并产生重大的科学发现。梁安辉长期从事尖端的光纤通信和生物光学方面的学术及研发工作,在高速光通信、视觉及仿生光通信、中医与光学等多个研究领域取得重要进展。
 
1 高速通信的追“光”者
20世纪80年代,梁安辉开始从事光纤通信方面的研究,对光纤领域的浓厚兴趣,让他毅然踏上了一条追“光”的科研征程,并从此一往无前。梁安辉在清华大学硕士研究生在读期间发表SCI收录论文“Mode radius of noncircular field single mode fibre: new definition and application to calculation of splice loss and waveguide dispersion”等共5篇。1994年,他在香港中文大学攻读博士,研究新的光脉冲转换限判据及超短脉冲的测量,并提出了密集周期光纤色散补偿方法,博士毕业论文被评为优秀博士论文;1996—1999年,梁安辉在诺贝尔奖提名者长谷川晃教授团队做博士后,从事高速光通信系统及色散补偿光孤子通信系统的研究,与长谷川晃教授合作,提出比传统的海森堡不确定性原理更为精确的公式,并发现了新的光脉冲逆转换限判据,同时,他开辟了新的研究领域——密集周期光纤和密集周期色散补偿系统,最终使得密集周期光纤成为了一个关键词。离开学校后,他进入产业界工作,于1999年加入美国原贝尔实验室的海底光缆分部任高级研究员,2004年在硅谷率先成功设计了商用40 G光收发器,为智能手机发展铺设了“信息高速公路”,促进了高速光纤通信系统的发展。
2012年,梁安辉回到高校从事教学与科研工作,将研究方向瞄准高速光纤通信系统及与生物光学的交叉学科。2013年,他提出巨带宽系统,是在一根光纤上把850nm、1310nm、1550nm的频谱资源全部利用起来。提出一种100Pbps(1P=1000T)光纤传输容量的实现方法,远高于当时国际上最高速的光通信实验系统的容量(1Pbps)。
 
2 瞄准交叉学科,扩展科研领域
常言道“隔行如隔山”,然而在梁安辉看来,科学研究没有边界、相互融通。在多年的科研工作中,梁安辉怀揣着对自然奥秘的强烈好奇心,将研究视野从光纤通信拓展到物理学、生物学等多个领域。同时,面向《科学》公布的125个尚未解决的难题,他另辟蹊径,结合自身专业特长和学科优势,针对其中某几项进行了研究,提出了新的理论,作出了开创性贡献,具体如下。
“量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?”被《科学》杂志列为125个尚未解决的难题之一。梁安辉提出新的光脉冲的转换限判据及逆转换限判据,并发现此判据比传统的海森堡不确定性原理更为精确。海森堡的不确定性原理是量子力学解释的三大基石之一,人们使用不确定性原理来判断量子力学与经典力学的边界。人们目睹着“相隔数千公里的两个量子仍然纠缠”,但难以用不确定性原理解释。梁安辉发现能量不确定性与非局域性关系的一对公式(等式而不是不等式),该公式基于他提出的拉普拉斯脉冲宽度、拉普拉斯频率宽度及拉普拉斯能量宽度,能提升计算量子不确定性结果的精确度。相关研究成果发表在光纤通信领域的期刊IEEE Journal of Quantum ElectronicsOptics Letters,并在光网络与通信研讨会及博览会(OFC)等10余个国际会议通过主旨报告、大会报告及特邀报告进行学术交流。
是否存在衍射极限?针对此,梁安辉提出了任意二维光场分布的拉普拉斯模场宽度,在此基础上,发现了适合于任意光场分布的新的衍射限判据。相关研究成果刊发于光纤通信领域期刊IEEE Journal of Quantum ElectronicsJournal of Lightwave TechnologyElectronics Letters、《科学中国》等,并通过光纤通信领域重要会议(CLEO/Pacific Rim)做了报告交流,最近将光的衍射限判据推广到了其他量子的衍射限判据。
中医的经络系统有科学依据吗?梁安辉酷爱中医,1992年便在《自然杂志》发表论文《中医与光学》提出经络是光纤的理论,曾多次担任国家重点研发计划中医专项的评委。他提出经络是生物光纤,人体经络系统是光纤传热、光纤传感及光纤通信系统的理论。认为经络在不同段是不同的物质,可以是胶原纤维、神经元、毛细血管、神经胶质细胞、淋巴管,它们的光学结构均是光纤,经络的物质是不连续的,但光路是连续的。人体光网络内传播中远红外光(特别是波长是7.510μm的光)、可见光及近远红外光,多年来陆续有些实验验证,特别是2021年3月,新奥公司与哈佛大学的研究人员摄到了长达20多厘米清晰的发光的经络图像,梁安辉认为此发光的经络乃是掺杂(掺杂钠荧光剂)的光纤,是他的理论重要的实验证据之一。
在视觉领域,梁安辉提出了人类及脊椎动物的视锥、视杆细胞均为量子阱/超晶格光电探测器的理论,并尝试参考人眼的结构设计新一代的光纤通信器件。早在1998年,他就提出了脊椎动物视网膜上的视锥、视杆的外段是生物二极管,并且是量子阱/超晶格生物光电二极管探测器;发现了中心凹视锥是单模探测器,并开展单模光电探测器、单模的生物光波导研究,目前光纤通信领域及CMOS成像领域也开始使用人造的单模光电探测器。他发现了人眼及脊椎动物眼内中相邻视锥是光纤耦合器,用光纤理论统一了对立140多年的两个色觉学说——三原色说和对立色学说。这是在脊椎动物内首先发现有光纤耦合器,该研究解释了长期以来的难题——为何脊椎动物的视网膜是倒置的?有人认为可能是上帝做错工作了。他提出脊椎动物利用无源光学(如光纤耦合器)进行颜色预处理,这样可大大减少能量消耗和减少延迟,因为脊椎动物的视网膜上光感受器及神经细胞很多,若利用正置的视网膜处理颜色信息能量消耗和延迟将要大的多。此外,发现了人眼及脊椎动物视网膜上的生物的光学AI。他发现视网膜上有三极管,并提出生物体内有生物三极管的理论。视锥、视杆轴突末端的细线(直径1040nm)与囊泡(直径2040nm)共同构成了一个纳米线三极管,其结构非常类似于传统的纳米线金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),该结构可以在室温甚至体温下进行较大的电流放大,囊泡为栅极。此外,无长凸细胞轴突末端的细线与囊泡也共同构成了一个纳米线三极管,无长凸细胞负责时钟恢复特性。他还研究了人眼视网膜上的调制格式等,发现人脑中可以有生物三极管(如两个神经元与一个神经胶质细胞组成了一个纳米三极管,两个神经元与一个神经胶细胞瘤组成了一个纳米三极管等)。他提出突触(包括神经元与神经元之间的突触,神经元与肌肉细胞之间的突触)至少含有一个半导体PN结,突触前膜、突触间隙、突触后膜(或肌肉细胞)等构成了生物二极管或三极管。相关研究成果2016年发表在《科学通报》,部分内容也收录在Journal of Vision,并在新加坡召开的机器人与自动化工程国际会议(2020年)作了题为“Biological Optical AI and Bionic Optical AI”的大会报告。
在上述研究的基础上,梁安辉教授对《科学》杂志列为125个尚未解决的难题之一即“意识的生物学基础是什么?”进行了研究,除了人们通常研究的电阻、电容外,他认为意识的生物学基础还应包括:生物三极管、生物时钟恢复、生物调制格式、生物编码与解码;传感器与神经中枢之间互相通信;各传感器之间相互协调;含有生物二极管的突触;有生物三极管、生物二极管等支撑的记忆。
此外,梁安辉将自然科学与艺术学、美学联系在一起,对黄金分割点情有独钟的梁安辉,发现了温度的六阶黄金分割点周期表。他发现色觉中存在黄金分割点,并研究发现了色觉中的十几个新的黄金分割点。目前,他将黄金分割点的研究扩展到颜色、温度、听觉、健康、古迹、经济与商贸、人文等领域,用他的黄金分割理论能够解释为何人看到蓝天和绿叶很舒服。
 
3 结语
“融合中国古代、现代的智慧及世界先进的技术与方法,在中国作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”,这是梁安辉的“中国梦”。多年来,作为我国光纤通信及其交叉学科研究领域的先行者,他始终以行者的姿态躬耕科学前沿,将现代物理学先进技术和方法运用于中医、生物学、医学、量子力学等领域的研究,在多学科交叉融合方面取得令人瞩目的成就,以实际行动践行自己的初心使命。他的研究受到广泛关注,2020年组织召开的两次线上学术讲座听众总计达24.7万余人。
 
专家简介
梁安辉,国家高层次人才,山东科技大学光纤通信与生物光学交叉学科研究中心主任、二级教授、博士生导师。曾任武汉邮电科学研究院首席科学家,南京邮电大学学术委员会副主任、光通信与生物光学研究中心主任,广东工业大学光学工程学科带头人。2014年荣获“中国侨界贡献奖”。发表期刊及会议论文100余篇,多次担任国家科技进步奖、国家重点研发计划、国家国际合作项目等评审专家。