把握光纤偏振脉搏

来源:用户上传      作者:

　　光纤通信系统是以光为载波。利用纯度极高的玻璃粒拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。而作为信息化的核心技术支柱之一，光纤通信已经成为21世纪最重要的战略性产业。
　　“给我一个支点，我能够撬动整个地球”，亚里士多德当年豪迈的自信犹在眼前，而光纤通信，在某种意义上，又何尝不是信息化事业的一个支点呢?作为这个支点力量的“建设兵团”中相当重要的一员，北京邮电大学张晓光教授20年如一日，以其独特的魅力，在这个战线上演绎着一份别样的精彩……
　　
　　掌声响起来
　　
　　2005年12月16日。中国通信学会在信息产业部和中国科协的支持下，在北京召开了“2005年度中国通信学会科学技术奖颁奖大会”。在会上，“高速光纤通信系统偏振模色散自适应补偿关键技术”获得2005年度中国通信学会科学技术三等奖。该成果是基于张晓光教授主持的国家“863”计划重点项目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”和杨伯君教授主持的国家自然科学基金项目“高速光纤通信系统中偏振模色散自动补偿技术的研究”等国家和省部级项目产生的系列成果。
　　那一日，张晓光这个名字在光通信界获得认可。通过一系列的课题研究和项目组的共同努力，他们研制成功具有自主知识产权高效能的偏振模色散自适应补偿器可以对高速光纤通信系统中的一阶和高阶偏振模色散进行动态补偿与实时跟踪补偿，并在自行搭建的40Gb／s的偏振模色散自适应补偿试验系统中运行成功。实验证明，该偏振模色散自适应补偿器对一阶偏振模色散的补偿量大于100ps，补偿偏差小于3ps；对二阶偏振模色散的补偿量大于400ps2，补偿偏差小于50ps2。从任意偏振模色散初态搜索补偿响应时间小于100ms，跟踪响应时间小于10ms。该偏振模色散自适应补偿器与光通信系统的码速率和码型都无关，普适性强。其中，动态反馈控制算法解决了抗噪声、避免陷入局部极值以及实时跟踪不断变化的补偿最佳值的国际性难题，处于国际先进水平。课题组申请了多项相关专利，目前已经获得批准3项。在国内外著名期刊上发表了有关偏振模色散的研究论文超过60篇，其中被SCI检索10余篇，被EI检索30余篇。课题组多篇论文被国际知名的偏振模色散研究网站列为研究偏振模色散必读的重要参考文献。“863”专家组在验收上述“863”重点项目时作出了有“重大突破”的评价，并打出“Aa”的最高总评分数；而上述国家自然基金项目在结题时也获得“优”的评价。
　　对于这一评价的意义，或许有人并不甚理解。实际上，光纤通信是与社会生产和生活密切相关的。尤其是随着Intemet、数字电视、可视电话等通信工具在现代社会日新月异的发展，人们对于信息传输量的要求日益增加，这就更加促使光纤通信系统的码率不断提高，而当传输码率提升到40Gb／s以上时，光纤偏振模色散就变成限制光纤通信性能的一个主要因素。不要小看这个制约因子，在我国，20世纪90年代以前铺设的光缆，偏振模色散系数比较大，一般都要大干0.5ps／km，有的甚至超过0.8ps／km。这样一来，光纤线路中高偏振模色散就限制了传输码率和传输距离，如果把之前的光缆全部替换成新的光缆，显然需要太多的铺设时间。而且对于资源和成本无疑都是一个很大的浪费。所以，对现有光纤通信网进行升级改造以实现其相对经济性就成为学界备受关注的方案。然而升级不代表技术难度可以完全忽略不计，在这个过程中，有一个问题不得不面对一当现有的光纤通信网传输速率升级至40Gb／s时，必须考虑到对偏振模色散的补偿。然而由于偏振模色散具有统计特性，它会随时间的变化而不断变化，因此对其的补偿必须是实时的、自适应的。偏振模色散自适应补偿解决方案成为光纤通信领域的热点和难点之一，并被列入我国“863”计划重点项目。因此，他们的成果就像是一座灯塔，也许不如阳光般耀眼，却令在学术海洋中寻觅探索的学者们看到了希望和方向。
　　
　　天将降大任于斯人
　　
　　张晓光，祖籍上海，1961年出生于北京。对于上世纪60年代出生的人来说，也许更多是意味着相对平坦的人生路，然而在他47年的时光中，却并不是那么尽如人意……
　　1979年，18岁的张晓光一脚迈入北京大学物理系。那一年，北大物理系集中了当年高考时各省几乎所有的顶尖考生。上世纪80年代，随着国门的敞开，人们对于国外新鲜事物以及先进科学技术知识的渴求空前高涨。随之涌起了一股出国的热潮，尤其是一些志向远大的年轻人，他们希望通过对国外先进科技的学习完善自己的知识体系。张晓光，就是这群拥有美好梦想和憧憬的年轻人中的一个。
　　然而。就在他为梦想奋斗的时候，一场突如其来的大病击倒了他。为此，他不得不停下自己的脚步，休学疗养，那时，距离他大学毕业只有一年。对于张晓光来说，这无疑是一个很大的打击。或许真的是“天将降大任于斯人”，在经过了一番痛苦挣扎后，他还是选择了坚强。1985年，重整旗鼓的张晓光迎来了迟到两年的毕业，并被保送攻读本校的硕士研究生。
　　1988年，研究生毕业的张晓光来到北京邮电大学物理教研室，讲授物理基础课程。时隔多年，张晓光坦承，“最初我的梦想就是能够出国深造，然后到大学或科研院所从事物理领域的相关研究工作”，可以说这一份工作和他理想中的未来相去甚远。但是在他年轻的心里，既然作出了选择。就要对自己负责，与其整日感叹理想和现实的落差，不如踏踏实实地走好每一天每一步。“北邮的专长是通信领域研究，因此我们考虑所学物理知识必须与通信相结合才有出路。在光纤传输领域，当光纤纤芯内部光功率达到一定强度后，会出现非线性光学现象。激光在其中传输时，功率很容易达到非线性现象的阈值。实际上，光纤中许多传输现象与非线性有关，而我在大学所学的专业恰好就是非线性光学，可以说有一定的理论基础”，机遇只垂青有准备的头脑，有着非线性光学理论基础“头脑”的张晓光就这样遇到了他的伯乐――杨伯君教授，并在他的指导下，开始了对光孤子通信的研究。
　　“孤子是物理上的一个概念”，张晓光教授解释道，“它指的是波动在传输的过程中具有粒子特性，不会散开。一般来讲。波动激起的波包传输一段距离之后会因为色散现象而散开，而在非线性的条件下，就会保持着它的形状传输得很远，即形成了所谓孤子。这一点给了我们很大的灵感，如果把孤子的这一特性应用到光纤通信中，用它来克服色散问题，会不会是解决光纤通信长距离传输的一个关键性机制呢?”在这一思想的指导下，1993年，他们与清华大学合作，承接了国家“863”计划项目“光孤子传输技术研究”。其中，杨伯君教授任课题组组长。随后，他们又承担了邮电部的重大项目“光孤子传输系统研究”，取得了重大的成果，

并荣获1999年信息产业部科学技术进步三等奖，张晓光是第四完成人。对于第一次参加科研工作的他来说，光孤子通信技术研究真的是一个很高的起点，不仅让张晓光对科研事业有了一个初步的了解，也为他在有关高速光纤通信的研究领域积累了不少的经验。可以说，在他科研事业的起步时期，光孤子通信研究是占据着很重要的地位的。但是随着信息技术的发展，随着波分复用技术的出现，光孤子传输失去它的优势。“我们知道，当很多波长在同一根光纤里的时候，波长间距只要足够宽，就可以同时传输，如果每个单信道速率都是10Gb／s，4个波长就是40Gb／s，10个波长就是100Gb／s。”意识到这一点的张晓光开始转移自己的研究视线，要使光纤通信单信道速率达到40Gb／s以上，偏振模色散就成了限制速率进一步提高和长距离传输的拦路虎。
　　自1999年起。张晓光就已经随杨伯君教授开始从事偏振模色散的研究，并取得了许多研究成果，比如掌握了偏振模色散的测量技术，初步掌握了补偿技术等等，这时的他已经完全具备独立承担“光纤偏振模色散自适应补偿技术”研究的能力和基础。经过集体研究考核，主管单位最终决定由张晓光作为项目主持人，以北京邮电大学物理学院和电信学院为主，联合清华大学申请这个项目，“2001年11月，我们开始为这一课题申请国家‘863’重点计划项目。光是项目书就准备了大约三十多页”，时间短、任务重、经费有限，加上本来就属于国际性技术难题，从未做过大型项目主持人的张晓光顿时感到前所未有的压力。
　　2003年，他们的研究工作开始进入快车道。然而，正当张晓光准备全力以赴进行冲刺的时候，因为旧病复发，他再一次被送入了医院。
　　当时，为了解决偏振模色散反馈信号的提取问题，按原定方案他们需要一个40G的光探头(当时估价大约四五十万)，还需要一个40G宽带的微波放大器，单购买用来进行反馈信号提取的这几个器件加起来将近百万，更别提后续信号补偿所要用的器件仪器了。“幸好，我们找到了另一套方案。只要十几万就可以搭建反馈信号的提取单元，而且以这样反馈单元为基础的补偿器与码率无关，适用范围更广”，拿到化验单的时候，张晓光正在为器件购买的事情忙得不可开交。情急之下，对医生恳求“能不能等两天，等我把这个事情做完?”从2月底到3月底，整整一个月的时间，他在病床上以电话“遥控”着研究工作的进程，单是电话费就用了400多元。
　　出院后，就在他以为再也没有什么可以让他停下脚步的时候，“非典”来了。“当时真的是人心惶惶，有许多人被隔离，学生们也很害怕，我们的器件到货后，要装机箱、买板材，谁都不敢去。”出门打车、发口罩，无论怎样，工作是不能停顿的，2003年11月份的中期检查耽误不得!对于张晓光，或者课题组的其他成员，那段时光都是难以忘怀的。他们克服了种种艰难，学生们几乎每天都要开夜车，尚未痊愈的张晓光每天都坚持听取工作进程汇报，及时进行经验总结和技术指导。在他们的共同努力下，项目终于如期完成。
　　
　　追求无止境
　　
　　提到张晓光在“光纤通信偏振模色散自适应补偿技术”研究中最大的贡献，就不能不提到算法问题。“作为研究动态自补偿的技术，必须要研究反馈系统，反馈系统研究中就包括反馈信号提取和反馈控制算法问题，这就涉及到算法的选择。算法不好，不仅速度跟不上，还会出现一些其他的问题。当时国际上最主要的尚未解决的两大难题，第一就是速度问题，第二是补偿陷入局部极值问题。当控制的元器件自由度比较多的时候，在搜索空间中除了存在全局最优值以外，还存在许多局部极值，自由度越多，局部极值越多。在我们的研究中，已经控制到六个以上的自由度，控制算法应该具备速度快、避免陷入局部极值、抗噪声三个明显的特点。”从当时可以查到的文献来看，国际上还没有研制出具备后两种能力的算法，他们无异是独树一帜的。他们创造性地把原来用于神经网络方面的一种算法(粒子群优化算法)借鉴到研究中，取得了相当好的效果，并得到国际学术界的认可。
　　2005年。德国汉堡大学的一个科研小组在德国电信柏林段做了一个现场试验，是160Gb DPSK码的传输系统，其中就用到了偏振色散的补偿器。他们在论文中指出，虽然当时他们使用的是一阶补偿器，然而经过增加自由度控制，可以做到补偿高阶偏振模色散。但是随着控制自由度的增加，必然会遇到陷入局部极值问题。他们指出这一难题已经被解决了，他们所指就是张晓光教授课题组解决了该难题，并引用了其在国际会议OFC2004上发表的文章。就是在这一次，德国同行折服了，他们在光波技术杂志(JournaI of UghtwaveTechnology)发表论文评价课题组的算法“解决了多自由度的控制问题”。
　　2006年，美国某科研组也在光波技术杂志发表论文，报道全阶偏振模色散补偿实验，在提到以往一阶、二阶自适应补偿的实验时，张晓光的一篇论文被他们重点关注。
　　2008年欧洲光纤通信大会上(ECOC2008)，日本OKI电气工业公司所做的一个偏振模色散补偿现场试验备受与会者关注，他们在日本电信东京到大阪段，进行了160Gb／s CSRZ码的传输现场试验，接收端用到偏振模色散补偿器，他们的控制算法使用的就是张晓光2005年发表在IEEE(国际电气电子工程师协会)Photonics Technology Letters上的论文中提出的算法。
　　事实无法辩驳，在我国，一位研究人员，在国际上发表文章并不是什么罕见的事情，然而论文观点在国外试验中被认可的却是极少，在目前的光纤通信领域，张晓光教授或许是国内较少的特例了。
　　说没有成就感是不可能的，然而张晓光心内却依然有着遗憾，“我们最大的缺点就是产业化做得不够好”。
　　其实，提到产业化应用，在“863”课题结束的2004年，互联网的很多资源都还在闲置，全世界范围内光通信主干线单信道传输速率基本上都是10Gb／s，光纤网络大容量还无法得到充分的应用。另外，随着光纤制作技术的日臻成熟，制作的光纤偏振模色散系数已经不像以前那么大，因而对偏振模色散补偿这一研究结果的需求变得不是很迫切，“但是我们还是在往产品转化的方向不断努力。我考虑我们研制的补偿系统要实现小型化，才能最终实现产品化。当然，实现产业化的过程并不是那么容易，因为当时干线网的传输速率为10Gb／s，偏振模色散补偿要等40Gb／s系统上马后才有现实应用。所以从要获取现实利益的角度讲，公司就有些犹豫，而且随着2000年美国IT经济泡沫的破裂。很多通信公司的40G研发组或是被取消，或是转了研发方向。但是现在的情况已经有所变化，160Gb／s和100Gb／s传输系统的研制开始受到关注，因此有一些企业开始关注我们的成果，我们还会在高速光纤通信的信号损伤与恢复以及偏振稳定问题上继续做出更充足的准备，以应对将来的产业化需求。”
　　
　　结语
　　
　　“他是我遇到的所有老师中物理理论功底最为深厚的，在他眼中物理是一张相互联系的网，他总能在我们想不到的地方把知识串联起来。他热爱教学，喜欢传承知识，上课很有激情和魅力”，在北京邮电大学的“评师网”上，有学生这样写他。在他们眼中，他热情、博学、有个性。
　　而在这次短暂的采访中，让记者感觉到的更多是他的达观。与一般人相比，或者他确实算不上健康，“这个病是上天给我的，我无法左右，”但他却从未放弃过自己的梦想和追求。“我会一边积极地治疗，一边珍惜机遇和时间做我想要做的事情。”多年前由于身体原因张晓光开始习武，学者的儒道和武者的侠道水乳交融地渗透到他的骨子里，在这个浮华的世界，他用自己的每一天为未来做准备，一丝不苟、兢兢业业。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-649063.htm