循光而行 通达万里——记香港理工大学教授余长源

王 芳 谢更好

从中国古籍中记载的小孔成像实验，到西方爱因斯坦重新确立光的波粒二象性，人类对光的追逐与探索从未间断，且随着科学进步蓬勃发展。以至于自1901年以来的114项诺贝尔物理学奖中有47项与光子学有关。如今，光子学研究已经涉及从基础科学到几乎所有的工程应用，光纤通信便是其中一个十分活跃的领域，不仅为现代互联网的诞生发展铺设了信息高速公路，也衍生出了光纤传感等应用。

2022 年11 月8 日，美国光学学会（Optica/OSA）发布了2023年度新当选会士（Fellow）名单，来自全球24个国家和地区的109位学者入选。香港理工大学教授余长源榜上有名。作为长期致力于集成光电器件、光纤传感、光纤通信系统与网络及光电生物医疗仪器研究的学者，他的当选理由，正是为光纤通信和传感系统中的信号处理作出了重大贡献且积极服务于光学界。循光而行，从中国到美国，从新加坡再回到中国，立足香港，无论宽阔大道，还是蜿蜒山路，余长源始终不懈追寻，技术应用因此遍地开花、通达万里。

余长源

恩师指引，踏上追光之路

余长源是福建人，父母与中小学老师开明，成长环境宽松自由。少年时期，他考入福州一中就读，成绩名列前茅，同时入选数学和物理奥林匹克竞赛福建省集训队，最终凭借优异的表现保送清华大学现代应用物理系，也与几位志同道合的伙伴成为终身挚友。从小余长源心目中最闪光的英雄就是物理学家杨振宁和李政道。求知若渴的他在本科学习期间还选修了企业管理的经济学双学位。他早早认识到科技在社会经济生产中的重要作用，坚定了要走科研路的决心。“很感谢我的本科毕业论文导师朱嘉麟教授，在他的指导下，我了解了关于半导体物理与激光基本理论，完成了关于‘Ⅱ-Ⅵ半导体量子点中的激子’的论文，并对此产生了兴趣。”提起恩师，余长源充满感激。

1997年从清华大学毕业后，余长源赴美留学。在美国迈阿密大学电子与计算机工程系，他跟随麦克·R.王（Michael R.Wang）教授研究光电器件，开始与“光”有了更为深入的接触。1999年硕士毕业后，他进入南加州大学电子工程系读博，师从国际光纤通信领域的著名专家，美国工程院院士、光学学会主席艾伦·E.维尔纳（Alan E.Willner）教授，于2005年获得博士学位。由此，他完成了从半导体与激光基础理论到光电器件再到光纤通信系统一段完整的光电信息科技的学习经历，“光”成为他接下来生命里一直追逐的目标。

在世界光纤通信史上，1966年是一个重要年份。彼时的华人科学家、后来的诺贝尔奖得主高锟博士在这年发表了一篇划时代性的论文，他在文章中提出低损耗的石英玻璃光学纤维可望作为通信媒质，从此开创了光纤通信研究领域。此后半个多世纪，如何让光更快、更远、更准地传递信息的问题，引得无数科研人员呕心沥血，投身于光纤通信技术跃迁的浩荡发展史。随着掺铒光纤放大器（EDFA）和波分复用系统（WDM）的普及，光纤通信容量每10年增长100倍，以光纤通信为主干网的互联网让信息的传播无远弗届，彻底改变世界。余长源攻读博士期间，正值光纤通信由单波长10Gb/s向40Gb/s及更大容量发展的关键时期。“维尔纳教授所带领的研究组是当时美国非常重要也是规模最大的光纤通信研究组之一，我跟随教授及师兄师姐学习了几年，做了一系列有关高速可重构波分复用光纤通信系统中的色散和非线性效应研究。”基于这些科研成果，余长源获得了2004年度国际电气电子工程师协会（IEEE）光电学会优秀博士生奖，成为当年的12名获奖人之一。

博士毕业后，余长源短暂地在日本电气公司（NEC）美国研究所任访问研究员，2005年年底，他加入新加坡国立大学电子与计算机工程系任教，担任光电系统研究小组创始负责人及博士生导师。新加坡给予年轻导师充足的经费支持，在这里，余长源也兼任新加坡科技研究局资讯通信研究院高级研究员，并于2007年任澳大利亚墨尔本大学访问教授。10年耕耘，硕果累累，他的团队先后多次获得国际会议最佳论文奖。他也积极开展与中国内地的科研合作，并参与了新加坡国立大学苏州研究院的筹建工作。经新加坡国立大学苏州研究院推荐，在2014年中国创新创业大赛中，他与同事及学生将研发与市场相结合，凭借项目“基于光纤传感的智能健康监测系统与应用”，打败来自五湖四海的上万名竞争对手，获得生物医学领域全国冠军，被人民网、《科技日报》和江苏电视台等官方媒体报道。

在美国南加州大学的博士毕业典礼上，余长源（左二）与恩师、父母合影

2015年，为与移居香港的父母团聚，也被香港背靠内地、地处科研与产业双优的大湾区科创环境所吸引，余长源正式加入香港理工大学电子与资讯工程学系任教授。“有赖政策支持，我不仅可以申请香港的资金，还可以申请国家自然科学基金，科技部、广东省的基金。香港理工大学在深圳也设有研究院，我跟内地同行展开了不少合作研究。从国家层面到地方政府，都给了我坚实的支持。”对于过往，余长源非常感恩——“自进入光纤通信研究领域以来，互联网信息量成倍地增长，对通信技术不断提出更高的要求，这就需要从业者持续学习，迭代自己的技术储备，创新不止。我幸运的地方在于，一路都在世界前沿的研究院所工作，有足够的支持，能够更清晰地感知潮流变化并投身其中。我招收的研究生，所带领的团队成员也很优秀，大家可以齐心协力，快速地向前发展。”

这些年林林总总下来，余长源已经主持/共同主持50多个研究项目，从中国香港、中国内地，新加坡、美国和澳大利亚获得超过1000万美元的资金，并先后指导了20余名博士后研究员和40余名博士生。他撰写/合著了6个书籍章节及600余篇期刊/会议论文（包括100余篇国际学术会议的主题/邀请报告，比如美国光纤通信会议OFC）。此外，他还曾服务于100余个国际会议的组委会或技术委员会，以及新加坡政府电信标准咨询委员会，为光学界持续贡献了创新力量。

共谋发展，弄潮光纤通信

从几何光学角度来说，由于全内反射的效应，光可以在光纤内往返曲折地向前传输成千上万公里。因其带宽非常宽，可携带大量信息，在互联网高速发展的今天，全球光纤正以超音速（每小时约1600公里）的速度部署。如此大量的信息传输，要求极低的误码率，如何运用数学和物理方法，将干扰因素降低，将性能提升，是光纤通信研究要处理的问题。

“一段时间里，光的调制主要以强度调制为主。困难在于，如果光探测器只能测光的强度，其相位信息就会全部丢失。若要测光的相位，还须在接收机那一端有另外的激光进行干涉，把相位信息转成强度信息，这个就叫相干接收机。有了相干接收机后，光通信系统就变成相干光通信系统。”余长源解释道。因公认具有灵敏度高的优势，各国相干光通信的理论和实验早在20世纪80年代就热烈展开，但随后因掺铒光纤放大器发展的影响，归于沉寂。然而当时间来到2005年，互联网普及，信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。传统光通信系统频谱效率有限，如何在现有设备基础上提高光通信系统的容量与性能成为产业界和学术界面临的切实问题。

由此，20多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再次被人们想起来。余长源和他的光电系统研究小组，成为相干光通信这一波研究的弄潮儿。“我们幸运的地方在于，率先获得新加坡科技研究局及教育部在这方面的科研资助，成为这一时期最早一批的研究者。为了解决在没有光学锁相环的情况下进行载波恢复的关键难题，我和团队成员借用了无线通信的一些算法，还有成员发明了相位估计的新算法。这些成果在学界引起了广泛反响，根据2016年加拿大科学院理事会的调查，我们关于相干光学系统数字载波恢复的论文引用量为领域内的前1%。我指导的博士生中有6人因为这方面的研发成果获得了博士学位。”

当下，全球互联网用户规模已突破80亿（超过人口总数）。以香港为例，人均拥有超过3部终端电子设备上网。而根据研究，未来10～15年，全球光纤传输最大截面流量将达到1000 Tbps，单纤超过100 Tbps。用户数量和网络流量的迅猛增长对现有光通信提出新的挑战。P比特级（1000 Tbps）光传输系统与关键技术的研究被提上了日程。“美国、日本及欧洲，均已开始对基于少模多芯复用的高谱效率光传输系统展开研究，但是针对P比特传输系统的关键问题尚未突破。尤其是正交模式关联传输等理论尚未成熟。”在此背景下，余长源带领团队依托国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项，针对关键科学问题——少模多芯信号的正交关联传输问题、高谱效率P比特光信号的调制解调问题、长距离传输中的多通道信号损伤与联合补偿问题进行研究。预计基于DSP的高频谱效率Nyquist强滤波，实现超密集载波复用；通过对星座图的概率整形，提升高阶信号的信噪比；解决单通道高谱效率光信号的抗噪声问题。

除了通信容量的增加，通信能耗问题也日益突出。2020年通信能耗已占全球总能耗的5%，市场渴求更快的处理器和更高的带宽传输。依托深圳自然科学基金重点基础研究计划，余长源对面向数据中心的光互连系统及关键技术展开了研究。针对如何进一步扩展容量、如何进一步降低成本、如何进一步降低功耗的问题进行探索。目前，他正领导团队深入研发系列创新技术，包括基于交错载波的双偏振K K接收机，实现双偏振信息传输和接收；采用Kalman滤波器快速获取偏振跟踪信息；基于少模多芯光纤的矩阵式多域协同优化光互连传输机理研究等。

在光纤通信领域，余长源的贡献还体现在光信号监测、可见光通信、自由空间光学（FSO）系统的研究上，发表了一系列高质量论文，被斯坦福大学评为全球前2%被引用次数最多的科学家，也多次获得香港理工大学工程学院的优秀科研学术奖及科研经费成就奖。值得一提的是，在自由空间光学系统上，他还带领团队参与了我国空间站光学舱巡天望远镜粤港澳大湾区科学中心的工作，助力我国航天事业的发展。此外，他积极跟产业界合作，参与了华为公司的长距离相干光通信、短距离光互连、空间光无线通信系统等一系列重要研发项目，成绩斐然，助力中国企业的崛起。

回首20世纪90年代，虽然已经有华为、中兴、武汉邮电科学研究院、北京邮电大学等这样的企业、研究院所和高校在进行自主研发，但中国的光纤通信研究整体上仍然落后。然而“三十年河东，三十年河西”，当余长源满载硕果回到祖国，这些中国的“追光者”已来到了技术追赶的最后阶段，如今历时近10年，在学术界和产业界的一道努力下，中国的光纤通信研究尤其是系统集成领域终于迈进了与国际水平并行乃至引领的新纪元。余长源十分庆幸亲历并见证了这段滔滔浪潮，不仅在其中贡献了科研力量，也实现了自我的积淀与突破。

创新创业，投身传感与成像

学术研究外，余长源也鼓励他的学生在毕业后抓住时代机遇、创新创业。

当光在光纤中传播时，在外界温度、压力、位移等因素作用下，光波的振幅、相位、偏振态等参量会直接或间接地发生变化，因而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量，催生了光纤传感的发展。如何利用信号处理的方法，将光纤传感性能做进一步提升，是余长源在光纤通信的研究之外尝试的另一项重要研究工作。而且，对比光纤通信，光纤传感对设备与资金投入的要求较小，是更适合初创公司的领域。

因为电绝缘、耐高温、不受电磁干扰（EMI）影响、灵敏度高，集信息感知与传输功能于一体，光纤传感器系统起初被用于高电压、易燃易爆、高危特种行业安全生产监测。早在新加坡工作期间，余长源与资讯通信研究院的同事就开始尝试光纤传感在生物医疗领域的应用，包括研发非侵入式的智能光纤健康监测系统：系统可实时监测呼吸、心跳等多种生命体征，然后将信号传输到智能手机和互联网，获取用户的坐姿、睡姿、睡眠阶段和健康状况等信息，最终构建基于大数据的健康监测平台。基于光纤微弯损耗传感技术，余长源的博士生胡俊浩在毕业后建立了硅谷初创公司（Darma.co），开发光纤传感健康监测的系统与平台。谷歌创始人拉里·佩奇（Larry Page）在路演期间测试了产品原型，被美国广播公司（ABC）等20多家美国媒体报道。

“香港理工大学的设备可以用于多种新型光纤的制造，在这里我继续进行光纤传感的研究。”基于学校的硬件优势及多年光纤传感技术的积淀，余长源带领团队制作了双芯光纤干涉传感生命体征监测仪，从光的强度测量过渡到相位测量，得到更精准的测量结果，并在《光电进展》（Opto-Electronic Advances）发表了综述文章。团队跟香港的慈善机构合作，将这款监测仪用于阿尔茨海默病及相关痴呆症远程活动监测系统，便利了医护人员的工作。学生团队又将相关技术用于汽车驾驶领域，“基于光纤干涉仪的汽车驾驶员智能健康监测系统”项目在2020年第六届全国大学生3S杯物联网技术与应用“三创”竞赛中，打败600多个竞争对手，获得一等奖；之后又在广东省“众创杯”创业创新大赛中，与1916名竞争对手同台竞技，斩获银奖；研究论文《基于多芯光纤干涉仪的无创智能监测系统》在2018年中国杭州举办的亚洲通信与光子学会议（ACP，在中国举办的光通信领域顶级会议）上脱颖而出，获得最佳海报奖。

“我的另一名学生王碧炜，在沙特阿拉伯大学交换学习时，跟当地的石油公司合作，利用光时域反射和分布式传感的原理，将光纤传感技术用于油气领域的井下监测、油气管道监测等方面。”毕业后，王碧炜博士和毛渊博士共同创立了艾克森光电科技（中山）公司，主要产品便是分布式光纤声波传感器，致力于在石油/天然气、周界安全、轨道交通、智慧农业等领域的应用，与国际上的同类传感器相比，可测信号更精细，测量结果更稳定。

光电信息技术的另一个重要应用是成像。超表面是指一种亚波长的二维人造材料，可实现对电磁波偏振、振幅、相位等特性的灵活有效调控。它颠覆传统光学原理（反射/折射定律），尺寸小、易集成，光学设计自由度高。依据超表面材料制作的超透镜，被《科学》（Science）期刊评为2016年十大科技突破之一，相比传统镜头的笨重，它微型化、易集成，应用市场广阔，可望掀起成像系统的革命。余长源的团队开展了超表面光纤器件的前沿研究，取得不少成果。他的博士生郝成龙、谭凤泽等毕业后创建了深圳迈塔兰斯科技有限公司，对超透镜的量产和透过率难题进行了攻关，致力于将平面超透镜技术广泛应用于消费电子类、安防监控、汽车电子、光通信及AR/VR等领域，引领相关光学产业技术的变革。2020年以来，此公司已获得各类创新创业大赛荣誉8项，融资近2亿元人民币，技术成果和应用成效备受好评。

余长源（二排中）在香港理工大学的研究团队

2022年年底，亚洲通信与光子学会议在深圳举办，余长源团队李玉建等学生的论文《基于游标效应的双芯单孔光纤同时测量轴向应变和温度》获得厉鼎毅最佳论文奖。此奖项的设立是为了缅怀继高锟之后的光纤通信领域泰斗、波分复用系统之父厉鼎毅博士。他也是维尔纳教授在贝尔实验室做博士后研究时的华人导师。在余长源眼里，包括他的导师、他自己，以及他的学生在内，至少三代人，都曾受到这位大师的引领与指导。如今大师虽已驾鹤西去，但光纤领域的中华力量仍在继续活跃，中国光纤研究正在世界舞台大放光彩。“我们团队的最新论文获厉鼎毅奖，就是对大师最好的纪念。过去20多年间，我有幸在光电信息领域持续工作，亲历了历史：朋辈成长为海内外光通信的中坚力量，中国在本领域研发从相对落后到开始领先；中国通信市场从七国八制、外国通信公司在华利润超过鸦片，到华为等中国公司崛起、极大降低国人通信费用并参与国际竞争；我留美初期越洋电话每分钟几美元，到现在低成本网络连接世界各个角落。这翻天覆地的变化，是师、友、学生几代人扎扎实实干出来的。作为光纤通信传感领域的后辈，我们也将在高锟先生、厉鼎毅先生开创的道路上继续努力奋斗下去！”