认识光学界最快的研究人员

Vivian Chen拥有独一无二的速度世界纪录。

不，她没有超过尤塞恩·博尔特的 10 米以下百米时间。

她也没有在汽车、船或飞机速度方面取得任何新的里程碑。相反，Chen 拥有 200 吉波特的最快电子生成多级光信号的世界纪录。

这到底是什么意思？嗯，在作为光网络的赛道中，速度取决于激光“闪烁”的速度，从而将光脉冲沿着一根光纤发送。

200 吉波特意味着每秒 2000 亿个光脉冲。

从这个角度来看，今天的商用光纤系统每秒产生不到 1000 亿光脉冲，即 100 吉波特。

而这只是陈所持有的世界纪录之一。

她不仅训练了光发射器更快地闪烁，还能够将更多信息编码为单个光脉冲，从而提高每次传输的整体效率。

她通过对新型光学元件的开创性工作推进了最先进的实验。

虽然她在贝尔实验室工作了仅仅六年，但陈已经积累了令人印象深刻的出版物组合。

在以她的名字命名的 150 多篇论文中，有 15 篇是所谓的截止日期后论文，在研究界具有特殊的意义。

截止日期后的论文是 OFC 等主要光学会议接受的最终论文，通常揭示具有塑造行业潜力的重大发现。

陈在 34 岁时完成了这一切。

虽然她的职业生涯可能才刚刚开始，但她今天工作的影响可能会在未来几年内感受到。

最终，Chen 在数字信号处理、调制格式和快速信号生成方面所做的研究将带来更高速度、更高容量和更高效的网络。

仅她的 200 吉波特信号就能够在单个光波长上支持 1.3 Tbps 的传输速度。

随着这些进步进入诺基亚和其他公司构建的光学系统，它们将扩展我们全球通信基础设施的性能极限，满足公众对数据的永不满足的需求，并使世界能够共同行动。

一个难题要解决

陈先生出生于中国湖南省，最初是在国防科技大学读书时对电信系统产生了兴趣。

作为两个机械工程师的女儿，陈被科学所吸引，并有一段时间正在考虑从事计算机科学的工作。

最终，尽管她被通讯所吸引。

“我想象自己的未来是一名程序员，我的工作将是在计算机前编写算法和代码，”陈说。

“我不觉得整天坐在电脑前很有趣。

如果我从事电信业务，我也会从事软件方面的工作，但我将有更多机会处理硬件和组件。

我可以去实验室建造一些东西。

我可以把东西放在一起。

我喜欢软件部分，但我想做其他事情。这是一个具有更多维度的谜题。”

2009 年，陈移居澳大利亚，在墨尔本大学完成了博士和博士后研究。

就在那时，她引起了诺基亚贝尔实验室的注意。完成实习后，贝尔实验室杰出的光学研究员Sethumadhavan Chandrasekhar推荐她在他的实验室工作。

典型的经验主义者，钱德拉塞卡在他的实验室里热情地进行实验，直到他 2019 年退休的那一天，这对陈产生了深远的影响。

没过多久，陈就解决了她的第一个大难题。

2016 年——在加入诺基亚贝尔实验室仅一年后——她发表了一篇论文，展示了 190 吉波特的信号，创造了她的第一个世界纪录（她在 2019 年通过 200 吉波特的研究再次提高了这一纪录）。

一年后，陈在使用名为 Kramers-Kronig 接收器的新型光接收器时设定了新的实验里程碑，并为诺基亚获得了多项新专利。

2019 年，陈创造了她的下一个世界纪录，这一次是在高光谱效率星座领域。

如果您将陈的早期工作视为她教激光眨眼更快，您可以将她的星座研究想象为教激光以更微妙的方式眨眼。

“现代光通信比仅仅关灯更复杂，”陈说。“能量只是光波的物理维度之一。

它也有相位，也有极化。

在我们今天使用的光纤中，我们可以调制四个维度。

我们对这四个维度的操作越多，我们可以通过单个脉冲传输的信息就越多。”

星座的复杂性是根据正交幅度调制或 QAM 来衡量的。

QAM 越高，可以将更多位编码为单个光脉冲。

2019 年，Chen 展示了 16,384-QAM 光信号在 25 公里光纤上的成功传输。

该传输上的每个光脉冲都携带 22 位信息。

起初这可能看起来不多，但请记住，陈正在设计的系统每秒发送数十亿个 22 位脉冲。

从她的成就来看，当今最先进的商业光学基础设施使用 64 QAM 调制，可以在单个脉冲上发送 8 位。

“毫无疑问，Vivian 已经通过实验证明了有史以来最高阶的光学 QAM 星座——以非常大的优势，”诺基亚贝尔实验室光子学研究总监兼陈的现任主管Bob Tkach说。

“Vivian 是一个天生的实验主义者，但这并不是她唯一的决定性特征。

一些最优秀的研究人员融合了理论和实验方法。薇薇安很好地达到了这种平衡。”

在每一个连接中总有一个瓶颈

虽然发表论文和打破世界纪录很好，但陈说她研究的主要动机之一是好奇心。

作为一个天生的修补匠，她喜欢把东西拆开看看它们是如何工作的，看看她是否可以改进它们。

在创造世界纪录的实验中，她接近光学系统，就好像它是一条链子一样。

“我正在对链条的每个单独步骤或环节进行测试，”陈说。

“每走一步，我都会检测到信号衰减的程度以及衰减的原因。

然后我沿着整个链条走到尽头，看看我能找到什么。

有时我会发现一些大事。

有时我会发现一些小东西。有时我什么也找不到。

我只是想知道那里有什么。”

Chen 进行的光谱效率研究的非凡之处在于，她一直在与不变的物理定律作斗争。

可以通过任何通信渠道发送的信息量存在根本限制。

这个天花板被称为香农极限，以诺基亚贝尔实验室最著名的数学家克劳德·香农命名。

随着光谱效率的每一次新的提高，光传输越来越接近达到香农极限。

因此，光学研究的一些最大趋势集中在多芯、多光纤和多模系统——这些技术将增加传输通道的数量，而不是提高单个通道的效率。

当谈到将更多容量塞进单个波长的光时，就没有更多数量级的增益了。

但这并不能阻止陈找到持续存在的瓶颈。

“当我们谈论香农极限时，我们谈论的是我们永远无法克服的基本噪音水平，”陈说。

“这就是我们工作的环境。

但是，还有其他噪音。

发射器有噪音，接收器有噪音，电子设备有噪音。

很多这种噪音不一定是基本的。

通过将这种噪声与基本噪声区分开来，我或许可以执行一些技巧来从发射器和接收器中挤出更多的比特。”

陈可能称它们为“技巧”，但诺基亚贝尔实验室光学系统和设备研究的总体负责人用更有说服力的术语描述了她的贡献。

根据实验室负责人Tod Sizer的说法，Chen 在解决任何问题时都表现出非凡的智慧和创造力，以及与他人合作的强烈意愿。

“Vivian 是业界推动频谱效率极限的领军人物之一，”Sizer 说。

“她对构建光学系统的成本和复杂性有着不可思议的理解，她想出了一些非常聪明的方法来将信息转化为光。”