湖北青年科技创新奖得主王健：聚焦多维光通信前沿技术研究，让网民享受更大更顺畅的信息分享

极目新闻记者 李碗容

实习生 张伊婷 刘秋妤

通讯员 姜胜来 丘剑山

光，是信息时代的使者。走进华中科技大学、武汉光电国家研究中心副主任王健教授的实验室，各种光纤、器件、芯片连接着多个高精尖光电科研仪器，在这里光“看得见、摸得着”，十多年来，他带领团队聚焦多维光通信应用基础研究，探索光波的空间新维度，进一步提升光通信的容量，为光通信的可持续扩容提供新的途径。

团队的相关科研成果国际领先，入选国家“十三五”科技创新成就展和美国光学学会重要进展，两次获教育部自然科学奖一等奖，本人入选国家高层次人才计划。此次获评首届湖北青年科技创新奖，王健表示，这又是一次激励，他将带队继续开展原始创新，促进湖北光通信产业发展。

王健

物理学知识引入，探索光子空间新维度

“我们生活在一个大数据和人工智能飞速发展的时代。从ChatGPT到短视频，从移动多媒体到每个人的智能终端，数据量的激增对光通信的容量提出了前所未有的挑战。”王健说。

光通信虽然发展迅速，但由于光子传统维度已开发殆尽，现有光通信技术面临容量极限瓶颈，寻找新方法实现光通信的可持续扩容十分重要。在这方面，王健带队将轨道角动量这个新物理概念引入到光通信中，开展交叉学科科研。

王健

“在博士后研究的后期，我接触到了轨道角动量，给了我新的角度去思考这个问题。”王健说。围绕轨道角动量光通信，王健等人进行了一系列原始创新，开发了一整套轨道角动量产生、复用、传输、处理、接收等技术，实验实现了Tbit/s自由空间轨道角动量复用光通信系统，这一科研成果为光通信可持续扩容提供了全新途径。王健也收到美国南加州大学的橄榄枝，“在出国之前，我就坚定了学成后一定要回国的想法。”王健说。

2011年，王健回到华中科技大学武汉光电国家研究中心继续科研。2012年，关于这一技术的论文在国际顶级期刊《自然光子学》发表，王健为论文的第一和共同通讯作者。该论文发表后迅速引起了国内外同行的广泛关注，同时王健也作为共同通讯作者，应国际顶级期刊《科学》编辑邀请，发表了研究展望文章。

王健

目前发表在《自然光子学》论文已被引用4400余次，成为了轨道角动量光通信领域的开创性论文。国内外众多高校、科研机构和企业也都开展了轨道角动量光通信研究，掀起了该方向的研究热潮，国家973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大和重点项目等也纷纷立项。轨道角动量光通信也成为了王健身上的标签。

深耕多维光通信领域，实现超大容量光通信

回国后的10余年，王健坚持创新、勇于探索，继续开展了轨道角动量涡旋多维光通信研究，进一步提升了光通信的容量，实现了Pbit/s的超大容量光通信。

“这个容量有多大？一般家庭网络可能达到每秒几百兆，或者是1千兆甚至10千兆的网络，但1Pbit/s是一百万千兆。”王健介绍。这一超大容量光通信实现将会对老百姓带来哪些影响，王健展开介绍多维光通信的目标是可持续性地让光通信的容量越来越大，“这样我们每天才能够享受更大、更顺畅的信息的分享，比如你刷短视频会更加流畅。”王健说。

王健

与此同时，团队还攻关了光纤设计研制以及芯片的设计和研制中的一些关键问题。团队相关研究成果在国际顶级期刊发表了高水平论文。因为在光场调控、光子集成、轨道角动量及结构光通信等领域的创新工作和突出成果，王健2020年当选美国光学学会会士（OPTICAFellow），2020年获得教育部青年科学奖，当年全国仅8人获评；2021年获得国家杰出青年科学基金，2022年当选国际光学工程学会会士（SPIEFellow），2022年获得王大珩光学奖中青年科技人员奖，当年全国仅4人入选；2023年当选国际电气与电子工程师协会会士（IEEEFellow）。

团队研发成果还受到了企业广泛关注，目前已与华为、海信、中天、长飞、烽火、锐光等企业进行合作研发及成果转化应用，阶段性取得了显著经济和社会效益，助力湖北武汉信息光电子特别是高速光通信产业可持续发展。

王健

因钱学森等人爱上科学，将其当作一生的事业

科研道路上的收获对于王健来说是最好的激励，热爱则是原生的动力。“兴趣是最好的老师，你从骨子里面热爱科研，你就会从中收获快乐和源源不断的动力，并把它当作你一生的事业去奋斗。”王健说。

从小，受父亲教师职业的影响，爱因斯坦、钱学森等科学家的事迹都在王健内心中种下了科学的种子。1999年，王健考入华中科技大学（原华中理工大学）。在四年的本科学习后进入武汉光电国家研究中心攻读博士学位。

在武汉光电国家研究中心攻读博士期间，实验室条件非常有限，缺乏很多开展实验的仪器设备和光电子元器件，王健东挪西凑很多老师的仪器设备，在别人晚上和周末休息的时候加班加点开展实验，利用仅有的一块周期极化反转铌酸锂光波导，围绕非线性光信号处理不断创新，最后撰写了近300页的“基于铌酸锂光波导的高速全光信号处理技术研究”博士论文。

求学过程中，他得到黄德修教授、骆清铭教授、孙军强教授、刘德明教授、张新亮教授等人的指导。“前辈们踏实做事，不畏艰难敢于挑战，这些科研精神对我影响很大，使我受益终身。”王健说。

王健

王健对科研的热爱在他的团队中得以传承。团队定期举办学术交流和讨论会，他与学生们深入探讨科研问题和最新进展。“他常常工作到凌晨两三点，第二天又以饱满的热情投入到新的探索中，受他的影响，大家也都十分拼搏。”蔡丞坤博士说。未来，王健将带队继续在多维光通信领域继续深耕，希望更多科研成果能走出实验室，服务社会发展。

（来源：极目新闻）

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带你了解光通信

光通信在当今社会应用广泛，今天为大家带来的内容让您快速了解光通信。喜欢的朋友们可以收藏和转发哦！

光通信是以光波为载波的通信方式。

增加光路带宽的方法有两种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传输的波长数，即波分复用技术（WDM）。

按光源特性，可分为激光通信和非激光通信；按传输介质，可分为大气激光通信和光纤通信；按传输波段，可分为可见光通信、红外光通信和紫外光通信。

光是一种电磁波，其波长通常在1×103～5×10-3微米范围内。光的频率高，光通信的频带宽，通信容量大，抗电磁干扰能力强。激光通信是利用激光传输信息的，激光是一种方向性极强的相干光；非激光通信是利用普通光源（非激光）传输信息的，如灯光通信。

大气激光通信不需要铺设线路，便于机动，但易受气候和外界影响，适用于地面近距离通信和通过卫星反射进行的全球通信。采用激光器作光源的光纤通信，不受外界干扰，保密性好，使用范围广，适用于陆上和越洋的远距离大容量的干线数字通信。采用发光管作光源的光纤通信属非激光通信，适用于近距离、中小容量的模拟或数字通信。

可见光通信是利用可见光（波长0.76～0.39微米）传输信息的。早期的可见光通信采用普通光源，如火光通信、灯光通信、信号弹等。由于普通光源散发角大，通信距离近，只能作为视距内的辅助通信。

近代的可见光通信有氦氖激光（红色）通信和蓝绿激光通信。红外光通信是利用红外线（波长1000～0.76微米）传输信息的。紫外光通信是利用紫外线（波长0.39～5×10-3微米）传输信息的。通常所说的红外光通信和紫外光通信均为非激光通信。这种通信所用的设备结构简单、体积小、重量轻、价格低，但在大气信道中传输时易受气候影响，适用于沿海岛屿间的辅助通信。红外光通信还可用作近距离遥控、飞机内广播和航天飞机内宇航员间的通信等。随着科学技术的发展，非激光通信已部分地被激光通信所代替。利用烽火、灯光传输信息的方式是简易的可见光通信。

1880年，美国人A.G.贝尔发明了光电话。第二次世界大战期间，光电话曾在军事上得到应用，光源是非相干光源，在大气中传输受气候影响大，可靠性差，通信距离近，通信质量差，从而限制了它的发展和应用。1960年，激光器的问世解决了光通信的光源问题。由于光在大气信道传输时存在的缺点，促使人们转向传光线路的研究，探索了各种空心式波导管和透镜式线路，同时也开始了对光纤的研究。

1966年，华人科学家高锟曾预言光纤损耗可降低到20分贝／千米以下。1970年，美国康宁玻璃公司生产出损耗为20分贝／千米的光纤，使光通信进入了以光纤为传输介质的新阶段。随着半导体激光器寿命的不断延长和光纤损耗的不断降低，各种类型的光纤通信系统大量投入使用。光纤通信将朝着长波长、单模、超低损耗、密集波分复用、超大容量、相干外差检测、光集成和不用光电变换的全光通信等方向发展。

在70年代国外的低损耗光纤获得突破以后，中国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。

1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统，这比世界上第一次现场试验只晚两年多。这些成果成为中国光通信研究的良好开端，并使中国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。到80年代末，中国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。

从1991年起，中国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。在“八五”期间，建成了含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。

1999年1月，中国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南——青岛）8×2.5Gb/s密集波分复用（DWDM）系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。

我国十分重视光通信器件的研发，通过国家技术发展计划安排专题，组织技术攻关，跟踪国际先进技术等措施的实施，极大地推动了光通信器件的研究开发和产业化工作。随着光器件产业逐渐向中国转移，光通信行业基础设施建设进一步加快，中国已成为全球光电元器件的重要生产销售基地。

光通信器件是构建光通信系统与网络的基础，高速光传输设备、长距离光传输设备和智能光网络的发展、升级以及推广应用，都取决于光通信器件技术进步和产品更新换代的支持。因此，通信技术的更新与升级将促使光通信器件不断发展进步。

2010年中国生产制造的器件已占全球25%以上市场份额;我国光器件市场规模在全球市场中的份额也已从2008年的17%增加到2010年的26%左右，市场规模达到93亿人民币，同比增长率更是高达30%。

光电子器件行业厂商数量相对较多，全球生产光电子器件的厂商250余家，行业整体来看还属于一个完全竞争的市场。随着中小企业的退出和行业收购兼并的进行，行业的市场集中度呈上升趋势，行业的竞争激烈程度趋缓。而国内企业不仅要直面国内本土企业的竞争，还要承受来自国外企业的竞争压力，整体竞争较为激烈。

随着宽带中国战略进程的推进，国内三大电信运营商加快光网城市建设的步伐，我国光通信产业呈现出高速增长态势。

我国在光纤光缆方面，得益于三网融合和宽带政策对光纤的大量需求，2012年市场对光纤的需求迅速增加，使得光纤业基本面出现好转。行业总体供需呈弱势均衡、总体偏紧的态势，从而为光纤价格提供了较强支撑，为行业盈利改善提供了基本保障。同时，行业内主要厂商均在2012年实现较大规模光纤预制棒自产产能，使得此部分光纤企业盈利能力得到较大改善。

在光网络系统设备方面，三网融合形势下的FTTH、NGB与双向改造等热潮，将在未来长时间内释放大量光通信设备需求。三网融合将刺激广电及电信运营商对光纤网络建设的投入，国内PON设备、ODN市场需求增大，PTN、OTN网络升级也会带动相应设备需求的上升。

在光器件光模块方面，随着市场的持续升温，光器件产业投资不断扩大，国内涌现出一大批光器件企业。国家对光通信产业加大扶持，企业投入研发比重上升，这无疑是有利于产业长期发展的。在三网融合的大前提下，光器件投资成本占比不断上升，业内分析预计，未来随着光电子器件集成化和智能化的进一步提高，光电子器件占光传输设备成本的比例将达到30%以上。

《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》涉及战略新兴产业7个行业、24个重点发展方向下的125个子方向，共3100余项细分的产品和服务。细分的产品和服务中包括950项新一代信息技术产业相关产品和服务，其中包含了下一代信息网络产业中的光通信设备。

光通信设备，包括光纤，FTTx用G.657光纤、宽带长途高速大容量光纤传输用G.656光纤、光子晶体光纤、掺稀土光纤（包括掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等）、激光能量传输光纤，以及具有一些特殊性能的新型光纤，包括塑料光纤、聚合物光纤等。

光纤接入设备，无源光网络（PON）、光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）、波分复用器等。

光传输设备，线路速率达到40Gbit/s、100Gbit/s的超大容量（1.6Tb/s及以上）密集波分复用（DWDM）设备，可重构光分差复用设备（ROADM）及波分复用系统用光交叉互连（OXC）设备，大容量高速率OTN光传送网设备以及分组化增强型OTN设备、PTN分组传送网设备、MSTP/MSAP多业务传输和接入设备，高速光器件（有源和无源）。

最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波窗口有0.85μm、1.31μm和1.55μm。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。。

人类的想象力和创造力是无穷的，当人们经过艰苦的探索，掌握了光纤通信的奥秘，把地球用一束束的玻璃丝牢牢地裹起来以后，人们又把目标盯在了地球之外的宇宙空间，这就是宇宙激光通信。

由于宇宙空间没有大气或尘埃，激光在那里传输时比在大气中的衰减小得多，因而激光用于宇宙通信既优越又经济，这受到各国的普遍重视，已经有大量的科学家投身到了这个研究的领域。

当我们冷静地回顾一下光通信的发展历史时，不难发现，人们使用过的光通信的传输媒质有大气、水、液体纤维导管、玻璃纤维、光缆，甚至还在尝试使用外层空间；用于光通信的波长范围从红外线、可见光到高频射线。人类孜孜不倦的尝试和丰富的想象力启发我们：我们总可以找到比以前更好的传输媒质！我们也可以充分利用电磁波广阔的频谱！

应该认识到，人类的发明和创造通常是建立在对前人认识成果的改造和创新的基础之上的，尽管当前光通信传输领域占主导地位的是光纤，但是这并不意味着其它方式被淘汰了，只要展开自己想象的翅膀，我们依然能够找到更好的传输媒质，当然我们也可以考虑将以前尝试过的传输媒质进行新的加工，从而获得比光纤更优越的传输性能。比如人类正在探索的宇宙光通信，它的身上不也闪烁着BELL光电话的灵感之光吗？

光纤定律

摩尔定律

早在1964年，英特尔公司创始人戈登·摩尔(Gordon Moore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。

由此，微处理器的速度会每18个月翻一番。这就意味着每5年它的速度会快10倍，每10年会快100倍。同等价位的微处理器会越变越快，同等速度的微处理器会越变越便宜。

可以想见，在未来，世界各地的人不但都可以通过自己的计算机上网，而且还可以通过他们的电视、电话、电子书和电子钱包上网。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近40年的发展历史准确无误地验证着。

吉尔德定律

乔治·吉尔德曾预测，在未来25年，主干网的带宽将每6个月增加一倍。其增长速度超过摩尔定律预测的CPU增长速度的3倍。几乎所有知名的电讯公司都在乐此不疲地铺设缆线。当带宽变得足够充裕时，上网的代价也会下降。在美国，已经有很多的ISP向用户提供免费上网的服务。

麦特卡尔夫定律

以太网的发明人鲍勃·麦特卡尔夫告诉我们：网络价值同网络用户数量的平方成正比。如果将机器联成一个网络，在网络上，每一个人可以看到所有其他人的内容，100人每人能看到100人的内容，所以效率是10000。10000人的效率就是100000000。

联合国“1999世界电信论坛会议” 副主席约翰·罗斯(John Roth）在10日论坛开幕演说时提出“新摩尔定律”――光纤定律，互联网带宽每9个月会增加一倍的容量，但成本降低一半，比晶片变革速度的每18个月还快。

摩尔定律（Moore's Law）用来形容半导体科技的快速变革，平均每18个月，晶片的容量会成长一倍，成本却减少一半；“光纤定律”（OpticalLaw）则用来形容网络科技。

传输网络的最终目标是构建全光网络，在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”。

骨干网是对速度、距离和容量要求最高的一部分网络，将ASON技术应用于骨干网，是实现光网络智能化的重要一步，其基本思想是在过去的光传输网络上引入智能控制平面，从而实现对资源的按需分配。DWDM也将在骨干网中一显身手，未来有可能完全取代SDH，从而实现IPOVERDWDM。

城域网将会成为运营商提供带宽和业务和瓶颈，同时，城域网也将成为最大的市场机遇。基于SDH的MSTP技术成熟、兼容性好，特别是采用了RPR、GFP、LCAS和MPLS等新标准之后，已经可以灵活有效地支持各种数据业务。

对接入网来说，FTTH(光纤到户）是一个长远的理想解决方案。FTTx的演进路线将是逐渐将光纤向用户推近的过程，即从FTTN（光纤到小区）到FTTC(光纤到路边）和FTTB（光纤到公寓小楼）乃至最后到FTTP(光纤到驻地）。当然这将是一个很长的过渡时期，在这个过程中，光纤接入方式还将与ADSL/ADSL2+并存。

基于上述全光网络构架有很多核心技术，它们将引导光通信的未来发展。下面着重介绍ASON、FTTH、DWM、RPR这四项最重要的技术。

ASON

无论从国内研发进展、试商用情况，还是从国外的发展经验来看，国内运营商在传送网中大规模引入ASON技术将是必然的趋势。ASON(AutomaticallySwitchedOpticalNetwork，智能光网络）是一种光传送网技术。产品和市场状况表明，ASON技术已经达到可商用的成熟程度，随着3G、NGN的大规模部署，业务需求将进一步带动传送网技术的发展，预计2007年ASON将得到更加广泛的商用。

2006年各大主要设备提供商华为、中兴、烽火、Lucent等已经推出了其可商用的ASON产品。中国电信、中国网通、中国移动、中国联通和中国铁通陆续开展了ASON的应用测试和小规模商用。

ASON在国外成功商用的经验表明，ASON将在骨干传送网发挥不可替代的作用。例如，AT&T的140个节点覆盖美国的骨干传送网；BT组建21CN网，已建40个ASON节点；Vodafone的131个节点覆盖英国的ASON骨干传送网，等等。

然而，ASON在路由、自动发现、ENNI接口等几方面的标准化工作还不完善，这成为制约ASON技术发展和商用的重要因素。未来中国将参与更多的ASON标准化工作，同时，ASON的标准化，尤其是其中ENNI的标准化，将取得突破性进展。

FTTH

FTTH(Fiber To The Home，光纤到户）是下一代宽带接入的最终目标。实现FTTH的技术中，EPON(Ethernet Passive Optical Networks)将成为未来中国的主流技术，而GPON（Gigabit-capable passive optical networks）最具发展潜力。

EPON采用Ethernet封装方式，所以非常适于承载IP业务，符合IP网络迅猛发展的趋势。国家已经将EPON作为“863”计划重大项目，并在商业化运作中取得了主动权。

GPON比EPON更注重对多业务的支持能力，因此更适合未来融合网络和融合业务的发展。但是它还不够成熟并且价格偏高，还无法在中国大规模推广。

中国的FTTH还处于市场启动阶段，离大规模的商业部署还有一段距离。在未来的产业化发展中，运营商对本地网“最后一公里”的垄断是制约FTTH发展的重要因素，采取“用户驻地网运营商与房地产开发商合作实施”的形式，更有利于FTTH产业的健康发展。从日本、美国、欧洲和韩国等国家的FTTH发展经验来看，FTTH的核心推动力在于网络所提供的丰富内容，而政府对应用和内容的监控和管理政策也会制约FTTH的发展。

WDM

WDM突破了传统SDH网络容量的极限，将成为未来光网络的核心传输技术。

按照通道间隔的不同，WDM(WavelengthDivisionMultiplexing，波分复用）可以分为DWDM（密集波分复用）和CWDM(稀疏波分复用）这两种技术。DWDM是当今光纤传输领域的首选技术，但CWDM也有其用武之地。

2006年，烽火、华为等设备厂商都推出了自己的DWDM系统，国内运营商也开展了相关的测试和小规模商用。未来DWDM将在对传输速率要求苛刻的网络中发挥不可替代的作用，如利用DWDM来建设骨干网等。

相对于DWDM，CWDM具有成本低、功耗低、尺寸小、对光纤要求低等优点。未来几年，电信运营商将会严格控制网络建设成本，这时CWDM技术就有了自己的生存空间，它适合快速、低成本多业务网络建设，如应用于城域和本地接入网、中小城市的城域核心网等。

RPR

弹性分组环（ResilientPacketRing，RPR）将成为未来重要的光城域网技术。许多国内外传输设备厂商都开发了内嵌RPR功能的MSTP设备，RPR技术得到了大量芯片制造商、设备制造商和运营商的支持和参与。

在标准化方面，IEEE802.17的RPR标准已经被整个业界认可，而国内的相关标准化工作还在进行中。未来RPR将主要应用于城域网骨干和接入方面，同时也可以在分散的政务网、企业网和校园网中应用，还可应用于IDC和ISP之中。

光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。

1.通信容量大

从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路。虽然未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24 万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。

2.中继距离长

由于光纤具有极低的衰耗系数（商用化石英光纤已达0.19dB/km 以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输24 万个话路、100 公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120 万个话路、6000 公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。

3.保密性能好

光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能较好。

4.适应能力强

是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25 厘米时其性能不受影响）等。

5.体积小，重量轻

便于施工维护 。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。

6.原材料来源丰富潜在价格低廉

制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。

我们知道，任何一件事物都不会是十全十美的。缺点有如下几点：

1.质地脆，机械强度差。

2.光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

3.分路、耦合不灵活。

4.光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）。

5.有供电困难问题。

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