從中國古籍中記載的小孔成像實驗，到西方愛因斯坦重新確立光的波粒二象性，人類對光的追逐與探索從未間斷，且隨著科學進步蓬勃發展。以至于自1901年以來的114項諾貝爾物理學獎中有47項與光子學有關。如今，光子學研究已經涉及從基礎科學到幾乎所有的工程應用，光纖通信便是其中一個十分活躍的領域，不僅為現代互聯網的誕生發展鋪設了信息高速公路，也衍生出了光纖傳感等應用。

▲余長源

2022年11月8日，美國光學學會（Optica/OSA）發布了2023年度新當選會士（Fellow）名單，來自全球24個國家和地區的109位學者入選。香港理工大學教授余長源榜上有名。作為長期致力于集成光電器件、光纖傳感、光纖通信系統與網絡及光電生物醫療儀器研究的學者，他的當選理由，正是為光纖通信和傳感系統中的信號處理作出了重大貢獻且積極服務于光學界。循光而行，從中國到美國，從新加坡再回到中國，立足香港，無論寬闊大道，還是蜿蜒山路，余長源始終不懈追尋，技術應用因此遍地開花、通達萬里。

恩師指引，踏上追光之路

余長源是福建人，父母與中小學老師開明，成長環境寬松自由。少年時期，他考入福州一中就讀，成績名列前茅，同時入選數學和物理奧林匹克競賽福建省集訓隊，最終憑借優異的表現保送清華大學現代應用物理系，也與幾位志同道合的伙伴成為終身摯友。從小余長源心目中最閃光的英雄就是物理學家楊振寧和李政道。求知若渴的他在本科學習期間還選修了企業管理的經濟學雙學位。他早早認識到科技在社會經濟生產中的重要作用，堅定了要走科研路的決心。“很感謝我的本科畢業論文導師朱嘉麟教授，在他的指導下，我了解了關于半導體物理與激光基本理論，完成了關于‘Ⅱ-Ⅵ半導體量子點中的激子’的論文，并對此產生了興趣。”提起恩師，余長源充滿感激。

1997年從清華大學畢業后，余長源赴美留學。在美國邁阿密大學電子與計算機工程系，他跟隨麥克·R.王（Michael R. Wang）教授研究光電器件，開始與“光”有了更為深入的接觸。1999年碩士畢業后，他進入南加州大學電子工程系讀博，師從國際光纖通信領域的著名專家，美國工程院院士、光學學會主席艾倫·E.維爾納（Alan E.Willner）教授，于2005年獲得博士學位。由此，他完成了從半導體與激光基礎理論到光電器件再到光纖通信系統一段完整的光電信息科技的學習經歷，“光”成為他接下來生命里一直追逐的目標。

在世界光纖通信史上，1966年是一個重要年份。彼時的華人科學家、后來的諾貝爾獎得主高錕博士在這年發表了一篇劃時代性的論文，他在文章中提出低損耗的石英玻璃光學纖維可望作為通信媒質，從此開創了光纖通信研究領域。此后半個多世紀，如何讓光更快、更遠、更準地傳遞信息的問題，引得無數科研人員嘔心瀝血，投身于光纖通信技術躍遷的浩蕩發展史。隨著摻鉺光纖放大器（EDFA）和波分復用系統（WDM）的普及，光纖通信容量每10年增長100倍，以光纖通信為主干網的互聯網讓信息的傳播無遠弗屆，徹底改變世界。余長源攻讀博士期間，正值光纖通信由單波長10Gb/s向40Gb/s及更大容量發展的關鍵時期。“維爾納教授所帶領的研究組是當時美國非常重要也是規模最大的光纖通信研究組之一，我跟隨教授及師兄師姐學習了幾年，做了一系列有關高速可重構波分復用光纖通信系統中的色散和非線性效應研究。”基于這些科研成果，余長源獲得了2004年度國際電氣電子工程師協會（IEEE）光電學會優秀博士生獎，成為當年的12名獲獎人之一。

▲在美國南加州大學的博士畢業典禮上，余長源（左二）與恩師、父母合影

博士畢業后，余長源短暫地在日本電氣公司（NEC）美國研究所任訪問研究員，2005年年底，他加入新加坡國立大學電子與計算機工程系任教，擔任光電系統研究小組創始負責人及博士生導師。新加坡給予年輕導師充足的經費支持，在這里，余長源也兼任新加坡科技研究局資訊通信研究院高級研究員，并于2007年任澳大利亞墨爾本大學訪問教授。10年耕耘，碩果累累，他的團隊先后多次獲得國際會議最佳論文獎。他也積極開展與中國內地的科研合作，并參與了新加坡國立大學蘇州研究院的籌建工作。經新加坡國立大學蘇州研究院推薦，在2014年中國創新創業大賽中，他與同事及學生將研發與市場相結合，憑借項目“基于光纖傳感的智能健康監測系統與應用”，打敗來自五湖四海的上萬名競爭對手，獲得生物醫學領域全國冠軍，被人民網、《科技日報》和江蘇電視臺等官方媒體報道。

2015年，為與移居香港的父母團聚，也被香港背靠內地、地處科研與產業雙優的大灣區科創環境所吸引，余長源正式加入香港理工大學電子與資訊工程學系任教授。“有賴政策支持，我不僅可以申請香港的資金，還可以申請國家自然科學基金，科技部、廣東省的基金。香港理工大學在深圳也設有研究院，我跟內地同行展開了不少合作研究。從國家層面到地方政府，都給了我堅實的支持。”對于過往，余長源非常感恩——“自進入光纖通信研究領域以來，互聯網信息量成倍地增長，對通信技術不斷提出更高的要求，這就需要從業者持續學習，迭代自己的技術儲備，創新不止。我幸運的地方在于，一路都在世界前沿的研究院所工作，有足夠的支持，能夠更清晰地感知潮流變化并投身其中。我招收的研究生，所帶領的團隊成員也很優秀，大家可以齊心協力，快速地向前發展。”

這些年林林總總下來，余長源已經主持/共同主持50多個研究項目，從中國香港、中國內地，新加坡、美國和澳大利亞獲得超過1000萬美元的資金，并先后指導了20余名博士后研究員和40余名博士生。他撰寫/合著了6個書籍章節及600余篇期刊/會議論文（包括100余篇國際學術會議的主題/邀請報告，比如美國光纖通信會議OFC）。此外，他還曾服務于100余個國際會議的組委會或技術委員會，以及新加坡政府電信標準咨詢委員會，為光學界持續貢獻了創新力量。

共謀發展，弄潮光纖通信

從幾何光學角度來說，由于全內反射的效應，光可以在光纖內往返曲折地向前傳輸成千上萬公里。因其帶寬非常寬，可攜帶大量信息，在互聯網高速發展的今天，全球光纖正以超音速（每小時約1600公里）的速度部署。如此大量的信息傳輸，要求極低的誤碼率，如何運用數學和物理方法，將干擾因素降低，將性能提升，是光纖通信研究要處理的問題。

“一段時間里，光的調制主要以強度調制為主。困難在于，如果光探測器只能測光的強度，其相位信息就會全部丟失。若要測光的相位，還須在接收機那一端有另外的激光進行干涉，把相位信息轉成強度信息，這個就叫相干接收機。有了相干接收機后，光通信系統就變成相干光通信系統。”余長源解釋道。因公認具有靈敏度高的優勢，各國相干光通信的理論和實驗早在20世紀80年代就熱烈展開，但隨后因摻鉺光纖放大器發展的影響，歸于沉寂。然而當時間來到2005年，互聯網普及，信息爆炸式增長，對作為整個通信系統基礎的物理層提出了更高的傳輸性能要求。傳統光通信系統頻譜效率有限，如何在現有設備基礎上提高光通信系統的容量與性能成為產業界和學術界面臨的切實問題。

由此，20多年前曾被寄予厚望的相干光通信技術，再次被人們想起來。余長源和他的光電系統研究小組，成為相干光通信這一波研究的弄潮兒。“我們幸運的地方在于，率先獲得新加坡科技研究局及教育部在這方面的科研資助，成為這一時期最早一批的研究者。為了解決在沒有光學鎖相環的情況下進行載波恢復的關鍵難題，我和團隊成員借用了無線通信的一些算法，還有成員發明了相位估計的新算法。這些成果在學界引起了廣泛反響，根據2016年加拿大科學院理事會的調查，我們關于相干光學系統數字載波恢復的論文引用量為領域內的前1%。我指導的博士生中有6人因為這方面的研發成果獲得了博士學位。”

▲余長源（二排中）在香港理工大學的研究團隊

當下，全球互聯網用戶規模已突破80億（超過人口總數）。以香港為例，人均擁有超過3部終端電子設備上網。而根據研究，未來10～15年，全球光纖傳輸最大截面流量將達到1000 Tbps，單纖超過100 Tbps。用戶數量和網絡流量的迅猛增長對現有光通信提出新的挑戰。P比特級（1000 Tbps）光傳輸系統與關鍵技術的研究被提上了日程。“美國、日本及歐洲，均已開始對基于少模多芯復用的高譜效率光傳輸系統展開研究，但是針對P比特傳輸系統的關鍵問題尚未突破。尤其是正交模式關聯傳輸等理論尚未成熟。”在此背景下，余長源帶領團隊依托國家重點研發計劃“寬帶通信和新型網絡”重點專項，針對關鍵科學問題——少模多芯信號的正交關聯傳輸問題、高譜效率P比特光信號的調制解調問題、長距離傳輸中的多通道信號損傷與聯合補償問題進行研究。預計基于DSP的高頻譜效率Nyquist強濾波，實現超密集載波復用；通過對星座圖的概率整形，提升高階信號的信噪比；解決單通道高譜效率光信號的抗噪聲問題。

除了通信容量的增加，通信能耗問題也日益突出。2020年通信能耗已占全球總能耗的5%，市場渴求更快的處理器和更高的帶寬傳輸。依托深圳自然科學基金重點基礎研究計劃，余長源對面向數據中心的光互連系統及關鍵技術展開了研究。針對如何進一步擴展容量、如何進一步降低成本、如何進一步降低功耗的問題進行探索。目前，他正領導團隊深入研發系列創新技術，包括基于交錯載波的雙偏振KK接收機，實現雙偏振信息傳輸和接收；采用Kalman濾波器快速獲取偏振跟蹤信息；基于少模多芯光纖的矩陣式多域協同優化光互連傳輸機理研究等。

在光纖通信領域，余長源的貢獻還體現在光信號監測、可見光通信、自由空間光學（FSO）系統的研究上，發表了一系列高質量論文，被斯坦福大學評為全球前2%被引用次數最多的科學家，也多次獲得香港理工大學工程學院的優秀科研學術獎及科研經費成就獎。值得一提的是，在自由空間光學系統上，他還帶領團隊參與了我國空間站光學艙巡天望遠鏡粵港澳大灣區科學中心的工作，助力我國航天事業的發展。此外，他積極跟產業界合作，參與了華為公司的長距離相干光通信、短距離光互連、空間光無線通信系統等一系列重要研發項目，成績斐然，助力中國企業的崛起。

回首20世紀90年代，雖然已經有華為、中興、武漢郵電科學研究院、北京郵電大學等這樣的企業、研究院所和高校在進行自主研發，但中國的光纖通信研究整體上仍然落后。然而“三十年河東，三十年河西”，當余長源滿載碩果回到祖國，這些中國的“追光者”已來到了技術追趕的最后階段，如今歷時近10年，在學術界和產業界的一道努力下，中國的光纖通信研究尤其是系統集成領域終于邁進了與國際水平并行乃至引領的新紀元。余長源十分慶幸親歷并見證了這段滔滔浪潮，不僅在其中貢獻了科研力量，也實現了自我的積淀與突破。

創新創業，投身傳感與成像

學術研究外，余長源也鼓勵他的學生在畢業后抓住時代機遇、創新創業。

當光在光纖中傳播時，在外界溫度、壓力、位移等因素作用下，光波的振幅、相位、偏振態等參量會直接或間接地發生變化，因而可將光纖作為敏感元件來探測各種物理量，催生了光纖傳感的發展。如何利用信號處理的方法，將光纖傳感性能做進一步提升，是余長源在光纖通信的研究之外嘗試的另一項重要研究工作。而且，對比光纖通信，光纖傳感對設備與資金投入的要求較小，是更適合初創公司的領域。

因為電絕緣、耐高溫、不受電磁干擾（EMI）影響、靈敏度高，集信息感知與傳輸功能于一體，光纖傳感器系統起初被用于高電壓、易燃易爆、高危特種行業安全生產監測。早在新加坡工作期間，余長源與資訊通信研究院的同事就開始嘗試光纖傳感在生物醫療領域的應用，包括研發非侵入式的智能光纖健康監測系統：系統可實時監測呼吸、心跳等多種生命體征，然后將信號傳輸到智能手機和互聯網，獲取用戶的坐姿、睡姿、睡眠階段和健康狀況等信息，最終構建基于大數據的健康監測平臺。基于光纖微彎損耗傳感技術，余長源的博士生胡俊浩在畢業后建立了硅谷初創公司（Darma.co），開發光纖傳感健康監測的系統與平臺。谷歌創始人拉里·佩奇（Larry Page）在路演期間測試了產品原型，被美國廣播公司（ABC）等20多家美國媒體報道。

“香港理工大學的設備可以用于多種新型光纖的制造，在這里我繼續進行光纖傳感的研究。”基于學校的硬件優勢及多年光纖傳感技術的積淀，余長源帶領團隊制作了雙芯光纖干涉傳感生命體征監測儀，從光的強度測量過渡到相位測量，得到更精準的測量結果，并在《光電進展》（Opto-Electronic Advances）發表了綜述文章。團隊跟香港的慈善機構合作，將這款監測儀用于阿爾茨海默病及相關癡呆癥遠程活動監測系統，便利了醫護人員的工作。學生團隊又將相關技術用于汽車駕駛領域，“基于光纖干涉儀的汽車駕駛員智能健康監測系統”項目在2020年第六屆全國大學生3S杯物聯網技術與應用“三創”競賽中，打敗600多個競爭對手，獲得一等獎；之后又在廣東省“眾創杯”創業創新大賽中，與1916名競爭對手同臺競技，斬獲銀獎；研究論文《基于多芯光纖干涉儀的無創智能監測系統》在2018年中國杭州舉辦的亞洲通信與光子學會議（ACP，在中國舉辦的光通信領域頂級會議）上脫穎而出，獲得最佳海報獎。

“我的另一名學生王碧煒，在沙特阿拉伯大學交換學習時，跟當地的石油公司合作，利用光時域反射和分布式傳感的原理，將光纖傳感技術用于油氣領域的井下監測、油氣管道監測等方面。”畢業后，王碧煒博士和毛淵博士共同創立了艾克森光電科技（中山）公司，主要產品便是分布式光纖聲波傳感器，致力于在石油/天然氣、周界安全、軌道交通、智慧農業等領域的應用，與國際上的同類傳感器相比，可測信號更精細，測量結果更穩定。

光電信息技術的另一個重要應用是成像。超表面是指一種亞波長的二維人造材料，可實現對電磁波偏振、振幅、相位等特性的靈活有效調控。它顛覆傳統光學原理（反射/折射定律），尺寸小、易集成，光學設計自由度高。依據超表面材料制作的超透鏡，被《科學》（Science）期刊評為2016年十大科技突破之一，相比傳統鏡頭的笨重，它微型化、易集成，應用市場廣闊，可望掀起成像系統的革命。余長源的團隊開展了超表面光纖器件的前沿研究，取得不少成果。他的博士生郝成龍、譚鳳澤等畢業后創建了深圳邁塔蘭斯科技有限公司，對超透鏡的量產和透過率難題進行了攻關，致力于將平面超透鏡技術廣泛應用于消費電子類、安防監控、汽車電子、光通信及AR/VR等領域，引領相關光學產業技術的變革。2020年以來，此公司已獲得各類創新創業大賽榮譽8項，融資近2億元人民幣，技術成果和應用成效備受好評。

2022年年底，亞洲通信與光子學會議在深圳舉辦，余長源團隊李玉建等學生的論文《基于游標效應的雙芯單孔光纖同時測量軸向應變和溫度》獲得厲鼎毅最佳論文獎。此獎項的設立是為了緬懷繼高錕之后的光纖通信領域泰斗、波分復用系統之父厲鼎毅博士。他也是維爾納教授在貝爾實驗室做博士后研究時的華人導師。在余長源眼里，包括他的導師、他自己，以及他的學生在內，至少三代人，都曾受到這位大師的引領與指導。如今大師雖已駕鶴西去，但光纖領域的中華力量仍在繼續活躍，中國光纖研究正在世界舞臺大放光彩。“我們團隊的最新論文獲厲鼎毅獎，就是對大師最好的紀念。過去20多年間，我有幸在光電信息領域持續工作，親歷了歷史：朋輩成長為海內外光通信的中堅力量，中國在本領域研發從相對落后到開始領先；中國通信市場從七國八制、外國通信公司在華利潤超過鴉片，到華為等中國公司崛起、極大降低國人通信費用并參與國際競爭；我留美初期越洋電話每分鐘幾美元，到現在低成本網絡連接世界各個角落。這翻天覆地的變化，是師、友、學生幾代人扎扎實實干出來的。作為光纖通信傳感領域的后輩，我們也將在高錕先生、厲鼎毅先生開創的道路上繼續努力奮斗下去！”

專家簡介

余長源，香港理工大學電子及資訊工程學系教授、博士生導師，美國光學學會會士。1997年獲清華大學應用物理和企業管理雙學士學位，1999年獲美國邁阿密大學電子與計算機工程碩士學位，2005年獲美國南加州大學電子工程博士學位。2005年至2015年在新加坡國立大學電子與計算機工程系任教，創立光電系統研究小組，并兼任新加坡科技研究局資訊通信研究院高級研究員，2015年12月加入香港理工大學。主持/共同主持50多個研究項目，先后指導了20余名博士后研究員和40余名博士生。其團隊曾獲10次國際會議最佳論文獎，以及2014年第三屆中國創新創業大賽全國總決賽生物醫藥行業團隊組冠軍。他撰寫/合著了6個書籍章節及600余篇期刊/會議論文（100余篇主題/特邀報告，包括全球光通信領域以規格高、專業性強著稱的美國光纖通信會議OFC）。此外，他還曾擔任100余個國際學術會議的組委會/技術委員會的主席或成員，以及新加坡政府資訊通信發展管理局技術顧問委員會委員。