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高端访谈

访南科大沈平教授——特种光纤技术先驱

激光制造网 来源:中国光学2022-04-06 我要评论(0 )   

编者按光纤技术从根本上重塑了我们的观察、感知、交流和生活方式。尤其是在电信等行业中,光纤技术的发展和应用非常迅速。据此,Light: ScienceApplications 邀请了光纤...

编者按
光纤技术从根本上重塑了我们的观察、感知、交流和生活方式。尤其是在电信等行业中,光纤技术的发展和应用非常迅速。据此,Light: Science & Applications 邀请了光纤技术及其产业化应用的先驱沈平教授,讨论光纤技术为工业界所带来的机遇。


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沈平教授


沈平,南方科技大学电子与电气工程系讲席教授,国际光学工程学会(SPIE)和美国光学学会(OSA)会士, 国际电气与电子工程师协会光电子学会(IEEE Photonics Society)广东分会主席。过去三年,他担任 IEEE Photonics Society 的副主席。沈平教授的研究兴趣包括:光纤技术,光学传感,激光技术,硅光子学和生物医学光子学,光学相干层析成像、拉曼光谱成像、表面增强拉曼散射技术及基于多组学多模态的深度学习等技术在癌症早期/精准诊断、预后预测及优化治疗中的应用研究。发表论文 1000 余篇,H 指数 62。担任 CLEO-PR, OECC, ACP, PGC, OGC, ICOCN, ICAIT 等大型国际会议主席。曾创建课程项目“Enabled learning:Escape Room Design”被主流媒体  Channel News Asia, Channel U, Channel 8, Channel 5, Zhaobao 等用四种语言广泛报道。他还培养了许多杰出的学生,包括雨树光科和杰普特光电公司的创始人。



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图1:IEEE 光子学会广东分会 2022 委员会


问与答(Q&A)


采访对象:Perry Shum(沈平 南方科技大学讲席教授)

采访人:董永康(哈尔滨工业大学 教授)、郭宸孜(《Light: Science & Applications》 责任编辑)


原文信息:Dong, Y., Guo, C. Light people: Professor Perry Shum spoke about fiber-enabled industries. Light Sci Appl 11, 72 (2022). 
原文地址:https://doi.org/10.1038/s41377-022-00733-8

1Q:过去几十年我们见证了光纤技术的蓬勃发展,您在特种光纤、光纤传感器和光纤激光器等很多领域都做了大量的开拓工作。能否谈谈在您心目中,光纤技术带来巨大变革的前三大行业?


A:我心目中排名前三的行业是激光制造、传感和宽带通信。按现在的发展趋势,十年后,数据传输能力可能会提升 10 倍,各行业将因其可靠性和数据传输速度而继续投资光纤技术。安全、高速的数据传输是我们当今最重要的需求之一,因此,光纤行业的未来非常光明。



2Q:光纤通信革新了电信领域,目前光纤通信的主要挑战和趋势是什么?人类何时能达到光纤通信的容量和传输距离极限?
A:光纤是信息的超级高速公路。然而,目前的光纤通信频段仅限于 C 和 L 波段(即1525 nm-1625 nm)。自从 1966 年高锟首次提出光纤通信以来,光纤损耗从 1000 dB/km 降低到如今的<0.2 dB/km。1987 年,David Payne 及其团队发明了掺铒光纤放大器,为光纤通信的实用做出了重大贡献。又过了 10 年,Philip Russell 及其团队制造了第一根光子晶体光纤,使得光纤的设计和制造变得 3 维化,基于光纤的复杂器件得以持续开发。目前光纤通信的主要挑战和未来趋势将是开发新型光纤以提高传输速度以及数据速率。一个可能的解决方案是去除光纤的纤芯(即无芯)。但空心光纤由于表面模式的约束损失,是有损耗的。反谐振光纤是一种新型光纤,其潜在的光纤损耗甚至可以低于石英光纤。我预测,反谐振光纤的损耗可能在未来三年内就降低到0.1 dB/km。人类还远远没有达到光纤通信的容量和传输距离极限。毕竟,人眼其实可以看到很远处的光。即使没有任何仪器的帮助下,人眼可以看到的最远的单个恒星是仙后座的 V762,它距离我们大约 16308 光年(1.5x10¹⁷ 千米)。




3Q:在过去的几年里,很多特种光纤被开发了出来,但普通的商业光纤仍然占据着行业的主导地位,能否分享一下哪些行业可能需要什么样的特种光纤,并预测什么样的特种光纤能够真正与石英光纤竞争?


A:石英光纤仍将在骨干电信网络中发挥重要作用。行业是标准驱动的,传统的单模光纤现在中国的售价比面条便宜,而且二氧化硅的原材料供应是可持续的,因此优势极大。我参观过全球主要光纤制造商之一,长飞光纤(YOFC),见证了这家公司在拉制光纤方面的进步。根据给出的信息,我计算出他们 40 m 高的光纤拉丝塔制造光纤的速度约为 200 km/h。这几乎是高铁的速度。特定应用确实将需要特种光纤,例如生物相容性光纤、微结构光纤、多功能光纤、太赫兹光纤、中红外光纤、纳米光纤、带隙光纤和成像光纤。


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图2:沈平教授在 2021年全球光电大会致辞

4Q:在过去的十年里,分布式声波传感器(DAS)经历了繁荣发展期。您能评论一下它的意义和在各个领域的应用吗?
A:DAS 的优势在于其长距离的快速分布测量。基于 DAS,我们可以在相位敏感型光时域反射(ϕ-OTDR)的基础上实现大规模分布式声波检测。DAS 可以应用于地质传感、石油和天然气安全、入侵检测和铁路基础设施监测等应用场景。近年来,许多研究和技术致力于提高 ϕ-OTDR 传感器的性能,包括减少测量噪声、提高动态测量能力、对多种扰动进行采样以及提高测量空间分辨率等。我认为 DAS 在安全、保密和完整性监测系统中具有光明的前景。




5Q:光纤激光器变革了制造业,目前已成为主流的激光制造手段。展望未来十年,光纤激光器的发展趋势如何?您认为有没有哪种激光器有望在连续功率和高性能超短脉冲激光方面与光纤激光器相匹敌甚至超越,从而进一步提升制造业的水平?


A:光纤激光器有许多特殊的性能,如高功率、良好的可靠性、紧凑的尺寸、低噪音和良好的光束质量,因此它被广泛应用于焊接、切割、打标、打印、微加工、钻孔、焊接和热退火等。未来十年,一方面,我们需要更高功率的连续光纤激光器。另一方面,为了在不产生热量的情况下去除材料(即避免熔化或开裂),我们将需要使用飞秒或皮秒激光脉冲来进行热消融。因此,我们也需要发展具有更高平均功率和更短脉冲时间的脉冲光纤激光器。同时,为了开发低成本的短脉冲光纤激光器,我们必须研究适用于不同波长的高功率光放大器和高效功率合路器。光纤激光器的竞争技术之一可能是薄片激光器,它展现了高脉冲能量和高平均功率的优势。



6Q:光纤内窥镜已被广泛研究。与其他原位传感技术相比,光纤内窥镜有什么优势和劣势?
A:内窥镜有两个主要应用领域:工业和医疗。在医疗应用中,光纤内窥镜相对于刚性内窥镜来说是灵活的,可以进入非直肠腔和空腔。相对于无光纤的内窥镜,如胶囊内窥镜,光纤内窥镜的优点是紧凑型和更高的光功率,并允许远端连接光电探测器。请注意,远端光电探测器要比胶囊内镜中使用的近端探测器强大得多。有了光纤,就可以使用高功率激光进行激光烧蚀等治疗。我觉得光纤在内窥镜中的弱点都是次要的,并且取决于应用,当然,它不适用于某些需要无线应用的场景。




7Q:您一直是一位超棒的育人者。您的学生中不仅有顶尖的科学家,还有上市公司的创始人。您能分享以下如何指导不同的学生找到最适合他们的路径吗?


A:我在新加坡的时候一般同时指导大约 6 名博士生,这是我精力范围内的最大数量。虽然我指导的学生来自世界各地,但中国学生的数量占了大多数。因此,我的很多学生后来都回到了中国,并且为行业发展做出了贡献。我曾有一个特别的学生带着非常明确的目标跟着我攻读博士,他的明确目标就是要创办一家高科技公司。他的目标很清晰,所以我就顺其发展,现在他创立的公司已经上市了。后来又有一个聪明的学生,我觉得他非常适合创业。但是他一开始并不十分明确自己的目标,所以他在实验室工作了几年。之后他决定创业了 ,我有信心他的公司迟早会上市。除了我自己的学生之外,我还协助过许多年轻的研究人员在他们的职业早期阶段创办公司。他们都做得很好,现在我还不时地寻求他们的帮助,以解决我自己在实验室的技术问题。虽然教书育人没有通用的公式,但我很乐意分享我的秘诀。我觉得,对于那些有天赋和决心的学生,我们应该尽可能减少约束和监督,而代之以启发性的, 宏观的建议 。而我们更多的时间应该给那些还没有找到研究或生活方向的学生。我希望教师们最好与学生保持密切联系,在他们有需要的时候努力为他们创造机会,帮助他们在职业发展的阶梯上更进一步。

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图3:沈平教授团队与杰普特光电研发团队合照

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图4:沈平教授参观付松年教授在广州的新实验室



8Q:有一次我们谈到您的一个学生,他在学习方面苦苦挣扎了多年,几乎对一切都失去了信心,但您设法让他度过了难关。您能与那些进入研究受挫、产生自我怀疑的学生们分享一些话吗?
A:基本上我所有的博士生都在 3-4 年左右毕业,有一个学生打破了记录,兼职读博且在两年半毕业。我跟你提到的那个学生是个本科生。他来找我是为了完成毕业设计。当我接收他时,我知道他在许多本应完成的本科课程上遇到了麻烦。他的不自信从学习中渗透到日常生活中,严重到两年来他失去了自我管理的控制力,甚至不愿意和父母视频通话。当时,他被限定在一年内完成剩余的课程和毕业设计;否则,他将一无所有,拿不到学士学位。面对他的情况,我尝试和他一起想办法。

首先,我鼓励他上我的课(EE108 光电智感),这样我可以更好地了解他的学习习惯和解答能力。同时,我承担了一个秘密任务,常常拍他的照片发给他的父母,让他的父母可以了解帮助鼓励他。后来,我把他的毕业设计改成了更符合他兴趣的东西。因此最后,他的毕业设计不再是光电子项目,而是开发一个密室逃脱游戏的 APP。通过这个过程,我帮助他重建了对自己的信心,并锻炼了时间管理技能。其实他很优秀, 他的毕业设计做得非常好。他的一位考官告诉我,他是期末项目演示中最优秀的学生之一。毕业以后,他对找工作不感兴趣。但我说服了他抛下各种借口,先去获得一些工作经验。我很幸运,在过去的 20 年里,有很多优秀的学生来和我一起学习。但是通过监管这个学生,我发现一些学生的痛苦遭遇往往是因为没有意识到兴趣和好奇心之间的区别。大多数时候,学习曲线很陡峭,在我们发现自己对某事真正感兴趣之前,这段学习旅程可能很艰苦。有些学生可能会选择放弃,因为最简单的方法就是放弃。他们总能找到很多借口来为自己的失败辩护,但有很少人愿意说“对不起”并接受自我提升的空间。中文有一个很好的词语—— “感恩”,我们应该对生活中经历的所有困难或厄运心存感恩。我们应该感恩我们遇到的所有导师,并珍惜父母的爱和善意,以此为动力去努力。我建议学生尽量不要太早就变得固执。因为固执就会让一个人在接收信息时出现问题,这样,这个人就需要更强的放大信号才能接收信息。我对学生的建议是尽量接收信息,张开双臂迎接变化。如果我们不倾听和消化有用的知识,我们就很难做出改变。有智慧的人明白使用接收器(即聆听)的重要性,而有些人一直使用发射器(即说话)。时间无价,有些人在年轻时花费了太多的时间和健康来赚钱。当他们变老时,他们必须退还这些钱以换取健康,却换不回时间。趁着我们还年轻,试着以一颗谦卑的心向资深教授学习。哪天我们成为了资深科学家,如果可以建立相互之间的信任,我们应该尽可能地帮助年轻的研究人员。当我们老去的时候,当初的这些青年研究人员可能会取得比我们更多的成就,那时我们会为自己对社会做出的贡献感到自豪。那些年轻的孩子们会记住你的生日,并称你为导师或 yyds。

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图5:沈平教授和他的团队成员身穿中国传统服装进行角色扮演



9Q:你对 Light: Science & Applications 贡献了很多力量,你认为未来这本期刊如何能与光纤相关的研究和行业进行更多的互相促进?
A:我觉得 Light 可以通过组织光纤激光器、光纤传感器或者是新兴的颠覆性光纤技术领域的专刊、综述来加强其在光纤技术领域的影响力。同时我建议,可以依托一些当地会议或是国际会议来组织专题论坛。在我能力范围内,我可以帮助在今年的 CIOE 和 ACP 会议上组织活动。特刊也是很有效果的宣传方式,我自己就有一个切身体会。今年是联合国国际光日创始以来的第五个年头,其创始人之一 John Dudley 教授曾经就总是随身带着一本“基于光纤的器件和应用”的特刊,这本特刊是由我、Jonathan Knight、Jesper Laegsgaard 和 Dora Hu 共同编辑的,所以当 John Dudley 教授和我说,他很喜欢阅读其中的文章,因为里面很多文章都和他的兴趣相关。你也知道,我们即将在深圳建立一个 Light 区域办公室,这个新办公室将会帮助 Light 接触深圳区域的光纤企业和研究人员,下一个10年我们与Light共同努力,砥砺前行,再攀高峰。


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