借光纤之眼 铺科研之路

  • 日期:12-29
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国家“千人计划”专家、广东工业大学光纤通信与生物光学高级研究所所长梁安徽教授

设计了世界上首款商用40G光收发器,产生了3亿多美元的巨大经济效益。他与诺贝尔奖获得者长谷川彰教授(Akira Hasegawa)合作,并在世界上第一次提出了一个比震惊世界的传统海森堡测不准原理更精确的光脉冲转换极限的新标准。他跳出了人类视觉细胞的惯性误解,在世界上首次提出了人类视觉细胞是量子阱光电探测器的理论,并发现视锥细胞是单模光波导。他发现了色彩视觉中黄金分割点的存在,它将光纤通信与中医、色彩视觉机理、黄金分割点、不确定性原理等联系起来。这些发明和发现都有一个共同的名字。他是广东工业大学光纤通信与生物光学高级研究所所长、光学工程学科带头人梁安徽教授。

梁安徽对科学研究的痴迷与他在许多领域取得成就的能力密不可分。 由于他对科学研究的痴迷,他一直在思考和前进,即使在业余时间,他也不会忘记学习。 “将光纤通信与视觉和中医相结合,为国家乃至世界做出有影响力的贡献,从而弘扬中国文化,增强中国人民的信心,使光纤通信领域的实用技术造福国家和人民,促进世界科学技术的发展。 与此同时,在基础研究领域也取得了颠覆性的成就。例如,我们提出了一个比不确定性原理更精确的公式来解释纠缠态,我们还发现了黄金分割温度周期表来解释恐龙灭绝。 “这是梁安徽心中最大的梦想 视野上的新突破是第一条“科学的道路,造福人民的道路,也是研究的基础,只有“新”也是唯一的东西。 “创新是梁安徽科研道路上不可或缺的一点,也是支撑他度过无数挫折的最重要的颜色。毫无疑问,是我们的眼睛引领着多彩世界的另一端。 为什么我们的眼睛能找到多彩的颜色?梁安徽对此充满好奇,于是他开始探索颜色感知的机制,希望能有一个全面的了解。 “在我们的日常生活中,我们经常会看到一些鲜明的颜色对比,如黑白、交通信号灯、股票涨跌时使用的红色和绿色等 这些现象可以用对比色来解释。 然后我们可以思考‘为什么会有红绿色盲’等不难理解的问题 ”梁安徽解释道

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。 “李青四年,保正说《乞不用贪吏疏》 在这个每个人都被警告不要“贪欲”的时代,梁安徽把科学中的“贪欲”装进了口袋,多年来一直是他科学研究道路上的一个亮点。 通过不懈的坚持和努力,梁安徽提出了一个新的观点:色彩视觉中的黄金分割

众所周知,任何事物都有自己的黄金分割,在人类文明发现的历史上,任何微小的“发现”都会带来翻天覆地的技术变革,彩色视觉中的黄金分割也是如此。 在此之前,彩色视觉的黄金分割仍然是一个有待探索的领域空白色。梁安徽是这个地区第一个敢吃“螃蟹”的人 他在色觉中发现了十几个新的黄金分割点:例如,人眼蓝锥细胞和绿锥细胞的吸收峰之间的黄金分割点,人眼颜色分辨率最好的波长,以及人眼杆细胞的吸收峰,都是一致的。人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纳米和叶绿素透射波长峰值基本一致。此外,人眼绿锥体细胞和红锥体细胞在视觉灵敏度曲线中的重量也是黄金分割点 “在视觉上使用黄金分割的直接好处是节能。想象一下,如果目标位于黄金分割点,眼睛可以在第一时间找到目标,不需要进一步搜索。 这样,可以节省搜索步骤并降低能耗。相反,如果目标不在黄金分割点,眼睛将继续在黄金分割点两侧的区域中搜索具有黄金分割点的新目标,直到找到并确定目标。 节约能源对动物非常重要,尤其是高等动物。它可以减少它们的食物消耗,有利于动物的生存。可以说一石二鸟。 ”梁安徽说道

但是对于视觉的神秘,这显然不是最神奇的地方。 “我正在谈论的研究领域是一个非常重要和有趣的领域。如果彻底研究,人类大脑中的大多数特性都可以被突破。 ”梁安徽说道 他在世界上第一次提出视网膜上有三极管。这是人类第一次提出生物体内有三极管。 他认为动物的大脑中也有许多三重奏,这对理解大脑非常重要。 正是因为人体中有大量的三重奏,人们才能理解为什么可以和阿尔法围棋(AlphaGo)一起玩围棋。虽然稍逊一筹,但其能耗仅为阿尔法狗的二十分之一,阿尔法狗拥有数十亿枚三聚体。 他发现光感受器、双极细胞和两个相邻的水平细胞形成一对三极体。双极细胞、突起细胞和神经节细胞形成三极管。丛细胞、突起细胞和神经节细胞形成另一个三极管 他追求胜利,发现视网膜中的电路与光纤通信接收器中使用的电路有些相似。因此,他借助光纤通信接收器中使用的电路模型开始了他的研究,极大地帮助梁安徽对视网膜中各种细胞的功能及其相互作用有了更深入的了解。 他还建议,对视网膜锥体的光纤和电路模型的深入研究将揭示颜色感知的奥秘,对于理解色弱、色盲等眼病的发病机制和治疗具有重要意义。

梁安徽在追求科学研究的过程中一刻也没有停下来。 梁振英认为,对视网膜上光锥的光纤、三极管和电路的深入了解,将为能够看到颜色的人造视网膜的研发提供极其重要的帮助,同时也揭示了光杆单光子探测不能脱离视网膜上光杆的光纤和电路模型的奥秘,同时也将对用于光杆单光子探测的电子编码方法有更深入的了解。 将梦想融入光纤通信今天,当谈到光纤通信时,许多人甚至感到不知所措,对此一无所知。 然而,梁安徽早在20世纪80年代就涉足其中。 作为国家“千年计划”的专家,梁安徽一直跟随国家的脚步。 在他的书《插上梦想的翅膀》中,他阐述了自己的“中国梦” 他在书中写道,我的中国梦是“融合古今中国的智慧和世界上各种先进的技术和方法,在中国做出对中华民族乃至世界文明具有重大意义的重大科技发明和发现,造福中华民族乃至全人类” “

光纤通信对梁安徽来说是一个极其重要和深远的研究领域 起初,在填写大学愿望表时,无知的梁安徽毅然踏上了追逐“光明”的征途,因为他觉得这是一个“高中”专业。

也许兴趣是最好的起点,所以梁安徽在接触光纤通信领域时再也不能放下它了。 早在1994年,他就是世界上第一个提出密集周期光纤色散补偿方法的人。 所谓密集周期光纤色散补偿是指在两个EDFA之间安排多个色散周期,可以有效克服光纤的非线性问题,大大提高频谱使用范围。 梁安徽在学术界徘徊了很长时间,他经常觉得自己的研究力不从心。他深深地感到他必须把理论和实践结合起来。 怀着这个信念,梁安徽去了香港、日本、美国等地学习和工作。他开发了世界上第一个商用40G光收发器模块,完美地回答了学术界和工业界的结合。 虽然梁安徽在国外看到了一个不同的世界,但他在谈到回归中国的感觉时深受感动:“如今,这个国家的发展速度快得难以想象,所以我找到了自己的位置,看到了祖国发展的伟大前景。这是一件快乐的事情 "

但回到中国后,梁安徽渴望高速光纤通信系统。 2011年,世界上最高速度的光通信实验系统的容量为1Pps(1P=1000T),远低于梁安徽设想的100Pbps光纤传输容量。 此外,他在100克高速信号传输方面取得了重要进展。与传统的非色散补偿系统的性能相比,n=2,3的密集周期光纤的性能可以得到很大的提高,其品质因数提高到1.3dB,而电子非线性补偿方法只能提高品质因数0.5dB 梁安徽与中兴通讯合作,在广东省获得800万元的专项应用项目,开发新型非线性补偿器,以降低非线性的影响,大大提高100G和400G系统的性能。

光纤隐藏了太多等待挖掘的秘密。它是一种优秀的通信网络传输介质,是信息高速公路的基础。它的出现使高速大容量通信成为可能,也是目前最重要的信息传输技术。 梁安徽认为眼睛是一个非常精确的光接收系统,视网膜上分布着多种相互协作的细胞。作为光学系统的光电探测器,光学元件也是整个系统中最重要的部分。 “不仅眼睛,甚至整个人体都是一个非常复杂的光纤通信系统 例如,人眼的视杆细胞和视锥细胞(视杆细胞采用多模光纤结构,位于视网膜中央凹的视锥细胞采用单模光纤结构),以及人的头发和经络等。 ”梁安徽说道

视觉细胞可以分为两种类型。一种是人眼中的锥形细胞,它能感受到强光,位于视网膜的中心。外部部分的直径约为1微米。他们主要负责白天明亮的视觉,反应速度快。 梁安徽还提到,锥形细胞可以感知红、绿、蓝三原色,其中红、绿、蓝是严格的单模操作,蓝色的外段也是单模操作。 另一方面,人类眼睛中的杆状细胞负责黑暗的视觉并感受微弱的光。外段和内段的直径约为2微米。他们主要负责夜间工作,反射速度相对较慢。 不仅在视觉领域,而且在光纤通信等领域,他是世界上第一个提出和研究单模探测器的人。 “视觉细胞是极其节能和优化的光电探测器。在光电探测器的设计中,我们应该学习和模仿许多优越的特性。 ”梁安徽说道 人眼杆细胞是一种结构极其灵活、结构极其优化、能耗极低的单光子探测器。如果研究进一步深入,梁安徽认为棒细胞不仅是一个普通的检测器,也是一个APD检测器。 他发现视觉细胞的结构一个接一个地对应于APD,吸收区和增殖区是分开的,随后的功能结构也是一样的。当然,SAGCM(分开?吸收?评分?充电。复用)结构来解释 为了大大提高现有有源功率器件的性能,梁安徽采用模拟棒细胞、减小有源功率器件面积、设计单光子探测器和模拟锥形细胞的方法设计了高速大动态范围的有源功率器件。

同时,人类视觉细胞中的锥形细胞和棒状细胞也是天然量子阱半导体光电探测器。 所述光杆和光锥的外段由数万个膜盘平行排列而成,其中光杆和光锥的每个膜盘的厚度约为3.5?7.5nm 然而,由于薄膜盘的厚度较窄,载流子(半导体中的电子或空腔)被限制在薄膜盘的平面内移动,从而产生强量子效应。 这种结构决定了尽管人眼中有多达1亿个光学细胞,但它们的总能量消耗非常小。平均而言,每个光学单元的能量消耗远低于当前在光通信中使用的光收发器模块。 “我们可以做各种尝试来设计未来的高速光电探测器和以锥形细胞为模型的阵列。根据棒细胞探测单光子的功能,设计了一种灵敏度极高的探测器。此外,通过模仿视觉细胞的量子阱结构来开发具有较低功耗的光学器件也就不足为奇了。 ”梁安徽自信地说道 “让世界看到中医的力量”

中医是一门博大精深的知识,是研究人体生理、病理、疾病诊断和预防的中药,是中国传统文化的精髓。 “人与天地有关,与太阳和月亮相对应”。中医始终贯彻“天人合一”、“天人相应”的整体理念。它相信气是形成宇宙的原始物质,是宇宙和宇宙之间的中介,使它能够产生共鸣。 “我认为中医就像一个美丽的新娘,她的红帽子还没有完全摘下来,充满神秘的魅力,我希望通过我们的研究来揭开她的红帽子,为中国文化的悠久历史做出贡献 ”梁安徽说道

如果有人说,除了眼睛,人体也是一种光纤通信系统,肯定会有人心跳,梁安徽不这么认为。 人体内的许多结构可以被视为光纤,人体内的经络,胶原纤维、神经、毛细血管,甚至头发都可以被视为光传输波导。 梁安徽从小就喜欢学习中医和经络理论,他发现除了将光纤和视觉结合起来之外,人体经络也非常接近光纤。 1992年,梁安徽在世界上首次提出“人体经络是光纤”的理论,引起了巨大的轰动。 他认为经络是光纤,中医所说的“气”是光。在人体的不同部位,经络可以有不同的物质成分,这与光纤通信系统非常相似。 同时,梁安徽认为,经络作为一种光纤,也是人体重要的散热通道。例如,内脏可以通过经络散发穴位产生的热量,因此穴位的温度将高于周围环境的温度。

梁安徽说:“人体不仅是光纤通信系统,也是分布式光纤传感系统和体温、压力等分布式控制系统 这就像最新一代的分布式计算机网络。中医的心、肝、脾、胃、肾都与人的健康和情感有关。这就是我们的意思。 “尽管许多中国人仍然嘲笑中医理论,他仍然相信他的研究可以用来验证中医理论的价值 但事实上,梁安徽并不孤单,有很多人和他打架 “中国文化一直是我的追求。如果除了四项发明之外还有第五项发明,我认为中医是当之无愧的 梁安徽说,“中医实际上是一门交叉学科。擅长中医的人不一定了解光纤通信领域,从事光纤通信的人也不一定掌握中医,我希望他们能兼得 “梁安徽一直坚信,总有一天他能够通过自己的专长领域弘扬中国传统文化,他确实做到了

将比不确定性原理更精确的公式应用于量子纠缠态梁安徽和诺贝尔奖获得者长谷川彰,他首次提出了一个新的世界光脉冲转换极限标准。发现该准则比传统的海森堡测不准原理更准确。 最近他用它来解释量子纠缠和量子通信,并发现他的公式比不确定性原理精确10 7到10 9倍。 现在是量子力学第二次革命的开始。关键是如何理解量子力学。 他认为量子力学的三个基石可以统一到他的新公式中。

梁安徽,“黄金分割的领导者”的新恐龙灭绝理论热爱黄金分割。他在许多研究领域发现了新的黄金分割,如颜色、温度、人体、听觉、健康、历史遗迹、经济和商业、人文等。 他被成千上万的规划专家誉为“黄金地段的领袖”。

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。 梁安徽,从学生时代起就以敏感好学而闻名,几十年来一直在“走自己的路”。他从来不害怕挑战或失败。他一直勇敢地探索前人未曾涉足的领域,并走出了自己的“发明”和“发现”之路 (朱传海,本报记者)