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义理林：在光通信领域自由驰骋
本刊记者 宋 洁
专家简介：义理林,上海交通大学教授,博士生导师.近5年,主持N S F C优青、青年、面上、重点项目各1项,教育部优博基金1项以及企事业单位委托项目多项,以项目骨干身份参与N S F C重大、“863”重大和“973”课题3项；在国际一流刊物和会议上发表论文100余篇,其中S C I收录58篇,S C I期刊邀请论文2篇,SCI他引520余次,在国际会议做特邀报告15次,获得授权国家发明专利13项.
2 0 1 0 年获全国优秀博士学位论文,2013年获国家自然科学基金优秀青年基金,2011年获上海市教委“晨光”计划,2011/2014年分别获上海交通大学“S M C-晨星青年学者”B类和A类支持.
从中考那年以县第3名的优异成绩考入四川省重点中学广安一中开始,义理林一路优秀.他不断在实践中发现自我,并调整自己前进的方向.如今,义理林已经完成从校园学子到企业产品开发经理再到高校教授的角色蜕变,在交换精细化、接入宽带化、传输安全化等方面取得诸多一流科研成果.
初出茅庐 参与研制高性能掺铒光纤放大器
1998年对于义理林来说是意义颇重的一年,他迎来了人生中尤为重要的一场考试.然而,造化弄人,喜爱通信领域的义理林却与理想志愿失之交臂,最终被调剂到了上海交通大学应用物理系.“也还好,通信的基础是与物理相关的,我的物理知识也给后面通信打下了很好的基础”,乐天派的他反而更加努力地广泛汲取知识.4年青葱岁月后,义理林考取了本校物理系光学专业研究生,从事的正好是他喜欢的光通信研究方向.
在他读研的期间,正值光通信发展的高峰时期,各项研究均在如火如荼地展开中.义理林也在科研中尽情地大展拳脚.那年,他的导师申请到了一项关于掺铒光纤放大器的项目.
掺铒光纤放大器被誉为光纤通信中最伟大的发明之一,由英国南安普顿大学在1985年首先研制成功.经过将近20年的发展,掺铒光纤放大器已经变得相对成熟,要想再有所突破就只能在原有的基础上找出新的研究点,“我们更多的是从应用的角度考虑,希望能进一步提升掺铒光纤放大器的性能和性价比,也就是如何用更低成本的器件获得更好的性能.”
在导师的带领下,义理林参与了这个颇具挑战的项目.经历了前期大量的研究,中期艰苦的技术攻关,团队最终成功研发出新版掺铒光纤放大器,与当时市面上销售的同等产品相比,他们的产品成本更低、性能更好.而义理林也凭借在项目中的出色研究,在业界顶尖杂志IEEE PTL上发表了2篇论文——在21世纪之初,我国学者能在此期刊上发表论文的并不多.
随着项目的结题,义理林也完成了自己的硕士毕业论文,那时他刚刚研究生一年级.“提前完成了目标,就希望自己的生活能更加丰富一些,因为读研也并不是要把全部时间都用来搞科研”.恰逢物理系研究生会选举新一届学生会主席,性格开朗、并且喜欢学生工作的义理林从竞争中脱颖而出.就这样,义理林的研二生活有如另一番天地.他积极投身学生会工作,先后组织了多项文化、体育、学术、科技活动,并带领物理系研究生团支部获得“上海交通大学优秀团支部”称号,他本人也获得了“上海市三好学生”称号.“这段经历对以后的工作还是挺有帮助的,当老师后发现,做项目需要管理学生,需要和不同团队合作,而且要经常出去开会、做报告,这就需要一个人的组织管理能力、沟通能力和在公众场合的演讲能力”,幸运的是,义理林在研究生阶段就得到了历练.
加盟企业 做以市场为导向的应用研究
义理林有两张博士学位证书,分别来自上海交通大学和法国国立高等电信学校.博士期间,他从物理系转到了电子工程系,经过层层筛选,他成为电子信息与电气工程学院两名中法联合培养对象中的一个.
为期1年的留学时光转瞬即逝,义理林最终以两篇高水平期刊、两篇行业顶级会议论文以及一篇亚太光通信会议最佳学生论文的优异成绩,取得了法国的博士学位.“这也算是个意外收获”,他笑着说到.因为是联合培养,法方先前并没有确定是否授予学位,正是义理林在科研中的优秀表现让他实至名归.2010年,他获得全国优秀博士学位论文.
博士毕业后,义理林有明确的想法,想到工业界去看看.“博士阶段,我的研究方向是减慢光速,属于前沿领域,离应用比较远.仰望星空时间长了,希望能够脚踏实地,所以特别想做些偏应用的研究”.而企业,是帮他实现理想的最佳选择.于是,带着“成果能应用到现实生活”美好愿景的义理林加入了Avanex上海研发中心.
刚刚进公司不久,义理林便一战成名.一贯自主研发的Avanex美国总部由于资源紧缺,将Alcatel-Lucent 100G新型光放大器项目完全授权于上海研发中心.这对于上海中心来说,无疑是个可以证明自身研发能力的好机会.也正因如此,大家都有些犹豫,一旦出现差池,就意味着全盘皆输.机会总是留给有准备的人,顶着巨大压力,义理林主动请缨.而情况远比想象中复杂,留给义理林的只有半年的时间,在这有限的时间里他要脱离原有的设计平台,自主开发出光路、软件系统和硬件平台.
“最终完全按照客户的要求完成了”,义理林也长舒一口气.“每一项指标都要达到客户的需求,有很细小的问题如果考虑不到就会影响产品最终的性能,也意味着项目失败”.这次经历,让他第一次感觉到科研和产品开发之间遥远的距离.“科研,可能只考虑某个参数指标,但是对于产品开发,不光要单项性能好,整体性能也要满足,所以对研发者考虑问题的全面性要求更高.”
随着项目的顺利交付,义理林迎来了一个良好的开端.不久后,他主持了第2个项目——“A v a n e x下一代光放大器平台”.从通信的发展来讲,空间占比一直是个很大的问题.要求在把原有体积减小一半的前提下,增大容量、降低功耗,同时还要保持性能不变.“这是一个很大的挑战,里面涉及了很多机械、光学、电路的设计问题”,就是这个当时在所有人看来是不可能完成的任务,义理林带领团队不断攻关,思考新的办法、设计,失败后再思考,直至最后将理想变为现实.
“这段工作经历对我也十分有意义.博士阶段从事的是纯科研的研究,需要有全新的想法、别人没想到的；但对于工程来说,或许别人也想到了,但关键是如何实现？如何达到更好的性能以满足要求.因此,现实意义更多一些,要求考虑非常全面”.努力的付出,使义理林连续两年收获了公司杰出员工奖,职位也从工程师升到高级工程师,最后升为产品开发经理.
重返高校 三大研究方向齐头并进
工作3年后,义理林选择了离开.“在工业界有一个问题,就是一切研究都限制在公司的战略目标中.我还是喜欢做自由创新的东西,也许学校更适合我,可以选择一些自己感兴趣的方向”.然而,从工业界回学校并非易事.“一般都是博士毕业后留校或者出国做博士后继续从事科研工作,我的情况比较特殊,虽然我的研究工作得到评审专家的认可,但当时学校要求必须拥有海外的博士学位才可以签正式合同进学校”,就在这紧要关头,义理林当年的那张法国博士学位证书悄然发挥了作用,仿佛冥冥之中天注定.
有学位证书作为通行证的义理林又回到了昔日熟悉的母校.在这里,他延续了光信号处理方向,做着自己热爱的研究.研究主要围绕光通信系统和网络的交换精细化、接入宽带化、以及传输安全化三个方面展开,旨在利用光信号处理技术提升交换精细度、提高接入带宽、增强传输安全性.
提升网络交换精细度的主要功能器件是高分辨率可编程光滤波器.传统光滤波器是基于光干涉或衍射原理,容易受限于干涉和衍射极限,滤波分辨率通常在G H z量级.针对这一局限,义理林利用光纤中的受激布里渊散射(S B S)效应,结合数字多频外调制、数字快速扫频调制、非线性管理、循环反馈校正等多种技术,成功开发出全世界分辨率最高(15M H z)的可编程任意形状滤波器,填补了之前在10G H z带宽以下无法实现任意形状滤波的技术空白.此外,他还进一步解决了S B S滤波器平坦度、陡峭度、信噪比、滤波抑制比和偏振相关性等问题,实现了偏振无关的滤波,平坦度小于1d B,矩形因子接近理想值1,滤波抑制比达70d B,并且可对16Q A M信号放大获得无误码性能.相关研究成果在光通信领域旗舰会议O F C上被评为得分最高（Top scored）论文,并且他指导学生在A C P上获得最佳学生论文奖；在多个国际会议做特邀报告,并在I E E EJournal of Lightwe Technology以及Photonics Network Communications上发表邀请论文.研究工作多次受到英国南安普顿大学、澳大利亚悉尼大学等单位的引用及跟踪研究.
提高接入网带宽是义理林加盟交大后新拓展的研究方向.近几年,随着用户对带宽的需求不断提升,接入网容量标准从当前的10G b/s向40G b/s和100G b/s提升,“其核心需求在于通过技术创新,用低成本技术方案获得高系统性能”.义理林利用直接调制直接检测结合多通道光色散均衡等技术,实现了100公里1024个用户无中继无色散补偿同时接入,功率预算高达53d B,优于N E C美研所基于外调制和相干检测获得的51d B功率预算指标,以更低的成本获得了更高的性能.研究工作在中兴通讯公司系统中得到验证,并联合中兴提交F S A N下一代光接入网（N GPON2）国际标准文稿,获得普遍认可；
在NG-PON2系统中上行采用直调激光器的方案也已写入ITU-T RecommendationG.989.2标准中.
在IEEE 100Gb/s NGEPON方案选择中,义理林提出采用单一光器件实现多通道光频率均衡和啁啾管理方案来支持10G直调直检光器件实现25G b/s调制和传输,以更低的器件成本获得优于华为美研所和阿尔卡特朗讯贝尔实验室所提方案的性能.后来,他的研究工作受到烽火通信的重视,获得其160万开发经费,这是目前为止烽火与高校开展对外合作中金额最大的项目.义理林在半年内就开发出100G b/s容量光接入网原型样机,并在上海交通大学两个校区间进行了现场演示,并联合烽火以此技术为基础提交了I E E E标准文稿.由于在接入网方面的出色工作,义理林入选为O F C会议接入网方向的程序委员会成员,成为了中国高校在此方向的首位入选者.
随着通信数据量不断增加,用户对隐私的保护需求越来越强烈,因此网络安全问题变得日益重要.这需要在传统的软件加密基础上增加物理层加密,从而进一步提高信号被的难度.这也是义理林目前正在研究的领域.混沌光通信是重要的物理层加密方案,它需工作在10G b/s及以上的速率中,但其物理状态空间有限,保密度有待进一步提高.此外,最常用的基于反馈环的混沌光通信结构还存在延迟时间标签容易泄露从而被的可能性.义理林则针对混沌光通信技术存在的问题,提出在反馈环时间反馈的基础上,引入相位和频率两个反馈变量.“窃听者除了要求硬件完全匹配外,还需要反馈时间,相位频率相关曲线精确匹配,就能大大提升混沌保密度”,通过理论和实验验证其加密程度在现有软件加密及混沌加密的基础上可再增加10^48个物理状态,并且反馈环的延迟时间标签被完美隐藏,可达到几乎无法的水平.
基于混沌光通信技术,义理林申请了两项GF专利,并被写入GF“十三五”项目规划.尽管如此,在3年多的持续研究过程中,他还未发表过1篇论文,“我认为这是个不错的方向,会继续坚持下去”.这也正是义理林做科研的信条：把握准科研方向后就坚持不懈地探索,中途即使遇到挫折也不丧失信心,始终相信自己能做好.
如今,义理林踏入通信领域也已有十余载,他对科研的不减反增,这都源于他对通信的兴趣.回首望去,当年的场景仿佛历历在目,下课后,那个追着老师问问题的他,直至跟着老师一起上校车,一路走一路问；在实验室里,那个认真投入实验的他,每天晚上都是最后一个才离开.未来,义理林仍会这条科研路上奋力拼搏,期待结出更多的科研果实.
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