借光纖之眼 鋪科研之路
——記國家“千人計劃”特聘專家、廣東工業(yè)大學光纖通信與生物光學尖端研究院院長梁安輝教授

本刊記者 祝傳海

借光纖之眼 鋪科研之路
——記國家“千人計劃”特聘專家、廣東工業(yè)大學光纖通信與生物光學尖端研究院院長梁安輝教授

本刊記者 祝傳海

在實驗室

他曾設(shè)計了世界上首個商用的40G光收發(fā)器，產(chǎn)生了3億多美元的巨大經(jīng)濟效益；他與諾貝爾獎提名者長谷川晃（Akira Hasegawa）教授合作共事，并在世界范圍內(nèi)首次提出了比傳統(tǒng)的海森堡測不準原理更為精準的新的光脈沖的轉(zhuǎn)換限判據(jù)，令世界大為震驚；他跳出人類視覺細胞的慣性誤區(qū)，在世界上首次提出了人類的視細胞為量子阱光電探測器的理論，并發(fā)現(xiàn)了視錐細胞乃單模光波導(dǎo)；他前所未有地在色覺中發(fā)現(xiàn)了黃金分割點的存在……

將光纖通信與中醫(yī)、色覺機理、黃金分割點、測不準原理等聯(lián)系在一起，這些發(fā)明與發(fā)現(xiàn)都與一個共同的名字相連，他就是廣東工業(yè)大學光纖通信與生物光學尖端研究院院長、光學工程學科帶頭人梁安輝教授。

能夠在諸多領(lǐng)域做出成績，與梁安輝對科研的癡迷分不開。因為癡迷科研，他一直在思考，一直在前行，甚至在閑暇之余也不忘鉆研?！皩⒐饫w通信和視覺、中醫(yī)進行結(jié)合，做出對國家甚至世界有影響力的貢獻，使中國文化得到弘揚，增強國人的自信心，并且在光纖通信領(lǐng)域，做出實用性的技術(shù)，造福國家和人民，促進世界科技的發(fā)展。與此同時，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做出顛覆性的成果，例如，用我們提出的比測不準原理更精確的公式來解釋糾纏態(tài)，用我們發(fā)現(xiàn)的溫度的黃金分割點周期表來解釋恐龍滅絕?！边@是梁安輝心中最大的夢想。

視覺新突破第一人

“科學之道，利民之路，調(diào)研之基，唯‘新’是也?！眲?chuàng)新是梁安輝科學研究道路上不可或缺的一點，也是支撐他走過無數(shù)坎坷最重要的一抹色彩，而通向彩色世界另一端的無疑就是我們的眼睛。為什么我們的眼睛能夠發(fā)現(xiàn)繽紛色彩？梁安輝對此充滿好奇，也因此開始摸索色覺機理，希望能夠進行一個全方位的認識。

“在日常生活中，我們經(jīng)常見到一些色彩鮮明的對比，比如黑白色彩、交通中的紅綠燈、股票漲停跌落時所用到的紅綠兩種顏色等。這些現(xiàn)象都可以用對立色來解釋。那么我們能夠想到的‘為什么會存在紅綠色盲’等問題也就不難理解了?！绷喊草x解釋道。

說是不難理解，但一百多年以來，三原色說和對立色學說一直都對峙不下，無數(shù)專家學者為此絞盡腦汁、費盡心思，但卻一直未找到對立色學說的光學解剖學基礎(chǔ)，也讓色覺機理的發(fā)展之路遲遲不能邁進。隨著研究的逐漸深入，梁安輝在世界上首先提出了人眼中央凹相鄰視錐細胞為光纖耦合器的觀點，他發(fā)現(xiàn)一個視錐細胞外纖維部分和內(nèi)段與相鄰的另一個視錐細胞的外纖維和內(nèi)段部分之間有強烈的耦合，就像類似于光通信系統(tǒng)中廣泛使用的波分復(fù)用耦合器一樣，會形成一個強耦合區(qū)。這個觀點的提出直接統(tǒng)一了對立了一百多年的兩個色覺學說——三原色說和對立色學說。

“梁安輝攻克了一百多年懸而未解的科學難題，他在前人的色覺三階段學說基礎(chǔ)上加上了一個新的區(qū)——強耦合區(qū)，使三階段學說成功升級為四階段學說，這是一個不曾預(yù)料到的突破性進展?！痹S多專家對梁安輝的發(fā)現(xiàn)驚嘆不已。不僅如此，梁安輝堅持認為如果使強耦合區(qū)和信息加工區(qū)相互之間協(xié)同作用，將會對色拮抗的產(chǎn)生重要的作用，同時他還利用相鄰視錐細胞為光耦合器理論發(fā)現(xiàn)了許多重要現(xiàn)象。

對于梁安輝來說，僅僅發(fā)現(xiàn)中心凹相鄰視錐是光纖耦合器這一點還遠遠不夠?！傲撸裰硪?；貪者，民之賊也。”慶歷四年，包拯在《乞不用貪吏疏》中如是說道。在這個人人都被告誡戒“貪”的年代，梁安輝卻將在科學上的“貪心”收入囊中，更成為他多年來科研道路上的閃光點。通過不懈的堅持與努力，梁安輝又提出了新的觀點：色覺中的黃金分割點。

眾所周知，任何事物都有屬于自己的黃金分割點，而在人類文明發(fā)現(xiàn)史上，任何一次微小的“發(fā)現(xiàn)”都會創(chuàng)造一次翻天覆地的科技之變，色覺中的黃金分割點亦是如此。在此之前，色覺中的黃金分割點還是一片空白的待探索領(lǐng)域，梁安輝就是這個領(lǐng)域敢于吃“螃蟹”的第一人。他在色覺中發(fā)現(xiàn)了十幾個新的黃金分割點：如人眼藍視錐細胞和綠視錐細胞吸收峰值之間的黃金分割點、人眼顏色分辨率最好的波長、人眼視桿細胞的吸收峰，這3個點竟然是一致的；而人眼紅視錐細胞和綠視錐細胞吸收峰之間的黃金分割點，與人眼強度最敏感波長555納米及葉綠素的透射波長峰值基本一致；除此之外，人眼綠視錐細胞和紅視錐細胞對視覺敏感度曲線中所占的權(quán)重也是黃金分割點。

“視覺中采用黃金分割的直接好處是節(jié)能，試想一下，如果當目標恰好位于黃金分割點上，眼睛便可第一時間發(fā)現(xiàn)目標，就無需進行更進一步的尋找。這樣一來，就可節(jié)省尋找步驟，減少能量消耗；相反，如果目標沒有位于黃金分割點上，眼睛則會以黃金分割點兩側(cè)區(qū)域的黃金分割點作為新目標繼續(xù)尋找，直到發(fā)現(xiàn)確定目標為止。節(jié)能對動物尤其是高等動物來說非常重要，既可減少其食物消耗又有利于動物的生存，可謂一舉兩得?！绷喊草x說。

但對于視覺的奧秘來說，這顯然還不是最神奇之處?！拔宜f的研究領(lǐng)域是一個非常重要而且充滿趣味的領(lǐng)域，如果將其研究透徹，人類大腦中的奇特之處大部分就能攻破了?！绷喊草x表示。他在世界上首次提出視網(wǎng)膜上有三極管，這是人類首次提出生物體內(nèi)有三極管。他相信動物的腦內(nèi)也有許多三極管，這對于認識大腦很重要。正是人體中存在大量三極管可以幫助理解為何人能與AlphaGo下圍棋，雖略遜一籌，但耗能僅為AlphaGo的兩萬分之一，AlphaGo有上萬億個三極管。他發(fā)現(xiàn)光感受器、雙極細胞及相鄰兩個水平細胞形成一對三極管；雙極細胞、無長凸細胞及神經(jīng)節(jié)細胞形成一個三極管；叢間細胞、無長凸細胞及神經(jīng)節(jié)細胞形成另一個三極管。他乘勝追擊，發(fā)現(xiàn)在視網(wǎng)膜中的電路與光纖通信接收機中用的電路有些類似，于是他借助光纖通信接收機中用的電路模型進行起步研究，大大幫助了梁安輝更加深入地了解視網(wǎng)膜上各個細胞的功能及它們之間的相互作用。他還提出深入研究視網(wǎng)膜上視錐的光纖及電路模型將會揭示色覺的奧秘，并對認識色弱、色盲及其他眼病的機理及治療有重要意義。

在步步追擊的科研路上，梁安輝一刻都不停留。在梁安輝看來，對視網(wǎng)膜上視錐的光纖、三極管及電路的深刻認識將對研發(fā)可以看顏色的人造視網(wǎng)膜研究提供極為重要的幫助，而揭示視桿進行單光子探測的奧秘同樣離不開視網(wǎng)膜上視桿的光纖及電路模型，同時也將對視桿單光子探測所用的電子編碼方式有更深刻的認識。

為光纖通信插上夢想的翅膀

就在今天，說起光纖通信，甚至還有很多人對此感到茫然，一無所知。殊不知，早在上世紀80年代，梁安輝就對此有所涉獵。作為國家“千人計劃”入選專家，梁安輝始終都不忘追隨國家的腳步。他在《插上夢想的翅膀》一書中闡述了屬于自己的“中國夢”。他在書中這樣寫道：我的中國夢就是“要融合中國古代、現(xiàn)代的智慧及世界各種先進的技術(shù)與方法，在中國做出對中華民族乃至世界文明有重要意義的科技重大發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，造福中華民族乃至全人類?！?/p>

光纖通信，對于梁安輝是極為重要又意義深遠的一個研究領(lǐng)域。當初在填報大學志愿時，只因覺得這是一個“高大上”的專業(yè)，懵懂的梁安輝就毅然踏上了這條追“光”的旅程。

也許興趣才是最好的開端，因此一接觸到光纖通信這個領(lǐng)域，梁安輝就再也放不下了。早在1994年，他就在世界上率先提出密集周期光纖色散補償方法。所謂密集周期光纖色散補償，指的就是在2個EDFA之間安排多個色散周期，就可以有效克服光纖的非線性問題，大大提高光譜的使用范圍。

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”，長期在學術(shù)之間徘徊的梁安輝，時常在研究中覺得心有余而力不足，他深感一定要將理論與實踐結(jié)合起來。抱著這種信念的梁安輝遠赴香港、日本、美國等地學習與工作，開發(fā)了世界上第一個商用的40G光收發(fā)器模塊，將學術(shù)與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合完美地交出了答卷。雖然在國外讓梁安輝看到了不一樣的世界，但談起回國的感受，他還是感慨萬分：“如今，國家的發(fā)展速度快得難以想象，讓我找到了自己的一席之地，更看到了祖國發(fā)展的偉大前景，這是一件值得高興的事情?！?/p>

但回國后的梁安輝一心向往的還是高速光纖通信系統(tǒng)。在2011年時，國際上最高速的光通信實驗系統(tǒng)的容量是1Pbps（1P=1000T），離梁安輝設(shè)想的100Pbps的光纖傳輸容量還差的很遠。此外，他在100G高速信號傳輸方面取得了重要進展，相較于比傳統(tǒng)的無色散補償系統(tǒng)性能，用N=2，3的密集周期光纖性能就能得到大大提高，Q值提高到了1.3dB，而電子的非線性補償方法僅能提高Q值0.5dB。梁安輝與中興通信公司合作獲得了800萬元的廣東省的應(yīng)用專項項目，開發(fā)新型的非線性補償器，減少非線性的影響，大大提高100G、400G系統(tǒng)的性能。

光纖隱藏著太多的奧秘等待去開采，它是通信網(wǎng)的優(yōu)良傳輸介質(zhì)，是信息高速公路的基礎(chǔ)，它的問世更使高速率、大容量的通信成為可能，也是目前最主要的信息傳輸技術(shù)。梁安輝認為眼睛是非常精密的光接收系統(tǒng)，其視網(wǎng)膜上分布著多種相互協(xié)作的細胞，其中視細胞作為光學系統(tǒng)的光電探測器，也是整個系統(tǒng)中最重要的部分。“不只是眼睛，甚至整個人體都是非常精密的光纖通信系統(tǒng)。如人眼的視桿細胞和視錐細胞(視桿細胞采用多模光纖結(jié)構(gòu)，位于視網(wǎng)膜中心凹的視錐細胞采用單模光纖結(jié)構(gòu))，以及人的頭發(fā)和經(jīng)絡(luò)等?！绷喊草x說道。

視細胞可分為兩類，一類是人眼內(nèi)的視錐細胞，感受強光，位于視網(wǎng)膜中心, 外段直徑約1微米左右，主要在白天負責明視工作，反應(yīng)速度很快。梁安輝還提到視錐細胞可以感受紅綠藍三原色，其中紅光綠光都是嚴格單模工作，藍光的外段也是單模工作。而與之相對的另一類人眼內(nèi)的視桿細胞則負責暗視，感受弱光，外段、內(nèi)段直徑均在2微米左右，主要負責夜里工作，反映速度也相對較慢。不僅在視覺領(lǐng)域，即使在光纖通信及其他領(lǐng)域，他也是世界上提出和研究單模探測器的第一人。

“視細胞是極其節(jié)能和優(yōu)化的光探測器，有許多優(yōu)越特性值得我們在光探測器設(shè)計中借鑒和模仿?！绷喊草x介紹道。人眼視桿細胞是異常靈活，結(jié)構(gòu)極其優(yōu)化，耗能極低的單光子探測器，如果使研究更深入一步，梁安輝認為視細胞不僅是一般的探測器，而且還是APD探測器。他發(fā)現(xiàn)，視細胞的結(jié)構(gòu)和APD一一對應(yīng)，吸收區(qū)和倍增區(qū)分開，而且后續(xù)的功能結(jié)構(gòu)也相同，當然也可以用SAGCM（separated absorption grading charge multiplexing）結(jié)構(gòu)來解釋。為大大改善現(xiàn)有APD性能，梁安輝采用仿視桿細胞的辦法，通過減小APD面積，進行單光子探測器設(shè)計以及采用仿視錐細胞的辦法，設(shè)計高速大動態(tài)范圍的APD器件。

與此同時，人眼視細胞中的視錐細胞和視桿細胞還是天然的量子阱半導(dǎo)體光電探測器。視桿和視錐外段是由成千上萬膜盤平行擺列而成的，其中視桿和視錐每個膜盤的厚度約為3.5～7.5nm。但由于膜盤厚度很窄，載流子（半導(dǎo)體中的電子或空穴）被限制在膜盤平面內(nèi)移動，因而會產(chǎn)生很強的量子效應(yīng)。這樣的結(jié)構(gòu)就決定了盡管人眼中的視細胞多達1億個，但其總耗能卻很小，平均下來，每個視細胞的耗能遠遠低于目前光通信中使用的光收發(fā)器模塊。

“我們完全可以進行多種嘗試，仿照視錐細胞設(shè)計未來的高速光電探測器及其陣列；仿照視桿細胞探測單個光子的功能，設(shè)計靈敏度非常高的探測器；再者仿照視細胞的量子阱結(jié)構(gòu)，開發(fā)更低功耗的光器件，這些都不在話下?！绷喊草x充滿信心地表示。

“讓世界看到中醫(yī)力量”

中醫(yī)是一門博大精深的學問，是研究人體生理、病理以及疾病的診斷和防治等的中國傳統(tǒng)醫(yī)學，更是中國傳統(tǒng)文化中的精髓?！叭伺c天地相參，與日月相應(yīng)”，中醫(yī)一直將“天人合一”“天人相應(yīng)”的整體觀貫徹其中，認為氣是構(gòu)成天地萬物的原始物質(zhì)，是天地萬物之間的中介，使之得以交感相應(yīng)?！拔矣X得中醫(yī)就像一位美麗的新娘，她的紅蓋頭還沒有完全被摘開，充滿神秘的魅力，我希望通過我們的研究揭開她的紅蓋頭，為中華文化源遠流長做出貢獻。”梁安輝說。

如果有人說除了眼睛，人體也是一種光纖通信系統(tǒng)，肯定會有人啞然失笑，梁安輝卻不這么想。人體中很多結(jié)構(gòu)都可以看成是光纖人體內(nèi)經(jīng)絡(luò)，膠原纖維、神經(jīng)、毛細血管，甚至頭發(fā)都可以看成是傳光的波導(dǎo)。從年輕時代就喜歡研究中國傳統(tǒng)醫(yī)學和經(jīng)絡(luò)理論的梁安輝發(fā)現(xiàn)除了將光纖與視覺結(jié)合起來，人體中的經(jīng)絡(luò)也與光纖非常接近。1992年，梁安輝在世界上首次提出了“人體中的經(jīng)絡(luò)為光纖”的理論，引起了軒然大波。他認為經(jīng)絡(luò)是光纖，中醫(yī)所說的“氣”便是光；在人體的不同部位，經(jīng)絡(luò)可以有不同的物質(zhì)組成，這與光纖通信系統(tǒng)很類似。同時，梁安輝認為：作為光纖，經(jīng)絡(luò)又是人體重要的散熱通道，如內(nèi)臟可通過經(jīng)絡(luò)這一散熱通道，將其產(chǎn)生的熱量在穴位處散發(fā)出來，所以穴位溫度就會比周圍高一些。

梁安輝說：“人體不僅是光纖通信系統(tǒng)，還是針對體溫、應(yīng)力等的分布式光纖傳感系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。這就如同最新一代的分布式電腦網(wǎng)絡(luò)一樣，中醫(yī)里講的心肝脾胃腎，都和人的健康、情緒有關(guān)，就是說的這個意思?！彪m然至今在國內(nèi)還有許多人對中醫(yī)理論嗤之以鼻，不過他仍然相信能用他的研究去驗證傳統(tǒng)中醫(yī)理論的價值。但實際上，梁安輝并非孤軍奮戰(zhàn)，還有許許多多的人和他在一起并肩作戰(zhàn)。

“中國文化一直是我所追求的，如果除了四大發(fā)明外還能有第五大發(fā)明，我認為中醫(yī)是當之無愧的?！绷喊草x表示，“中醫(yī)實際上屬于交叉學科，擅長中醫(yī)的人并不一定了解光纖通信領(lǐng)域，而從事光纖通信的人又不一定精通中醫(yī)，而我希望兩者能夠兼得?！绷喊草x一直堅信，有一天能夠通過自己所擅長的領(lǐng)域?qū)⒅袊膫鹘y(tǒng)文化發(fā)揚光大，他也的確做到了。

將比測不準原理更為精確的公式運用于量子糾纏態(tài)

陽泉一中兩位“千人計劃”入選者聚首，右一為百度董事長李彥宏。

梁安輝與諾貝爾獎提名者Akira Hasegawa教授一起在世界上首先提出了新的光脈沖的轉(zhuǎn)換限判據(jù)，并發(fā)現(xiàn)此判據(jù)比傳統(tǒng)的海森堡測不準原理更為精確。最近他用它來解釋量子糾纏態(tài)時及量子通信時，發(fā)現(xiàn)他的公式比測不準原理精確10^7至10^9倍。現(xiàn)在正處于量子力學第二次革命的開端，關(guān)鍵是如何理解量子力學。他認為可將量子力學的三大基石統(tǒng)一到他的一對新公式中。

“黃金分割教教主”的恐龍滅絕新理論

梁安輝酷愛黃金分割點，他發(fā)現(xiàn)了許多研究領(lǐng)域中新的黃金分割點，如顏色、溫度、人體、聽覺、健康、古跡、經(jīng)濟與商貿(mào)、人文等。他被許多千人計劃專家尊稱為“黃金分割教教主”。

特別有趣的是，他在世界上首先發(fā)現(xiàn)了溫度的六階黃金分割點周期表，就像門捷列夫發(fā)現(xiàn)的化學元素周期表在化學中起著非常重要的作用一樣，溫度的黃金分割點也存在類似的周期表?；跍囟鹊狞S金分割點周期表，他提出了廣義進化論，不僅生物體有進化，他發(fā)現(xiàn)光、大氣、水、細菌、病毒、人體中的光纖、受精卵及精子都有進化。二階黃金分割點溫度為38.2℃，它與人、哺乳動物、恐龍、雞、鳥的受精卵溫度相近，也與人體中的光纖的溫度、大氣的最低損耗窗口處的波長所對應(yīng)的人體的黑體輻射溫度及人體最佳免疫力溫度基本吻合；他提出了恐龍滅絕新理論，他認為是地球溫度升高導(dǎo)致了恐龍受精卵死掉，而不是導(dǎo)致了恐龍本體死掉。他還能用此理論解釋候鳥的遷徙、海中的動物（如鯨魚、海象及三文魚等）的遷徙，他認為這些動物遷徙的主要原因是讓自己的受精卵及嬰兒的溫度適合生存及初期的生長。

“讀萬卷書，行萬里路?！庇诹喊草x來說，頭腦和身體總要有一個行走在路上?？釔勐糜蔚乃?，時常行走在江邊小溪畔，或是登上險峻山峰，這是他找尋輕松與快樂的方法，也是他獲得靈感與樂趣的來源。從學生時代就以敏而好學而出名的梁安輝，幾十年來依舊“我行我素”，他從不怕挑戰(zhàn)也從不畏懼失敗，他總是勇于開拓前人沒有做過的領(lǐng)域，走出了屬于自己的一條“發(fā)明”與“發(fā)現(xiàn)”之路。

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