三千多年以前，人們用烽火產(chǎn)生的光和煙來傳遞敵人入侵的信息，這是人類第一次使用光作為載體來實現(xiàn)通信。

進入二十一世紀，對人們的日常生活影響最深遠的科技無疑是互聯(lián)網(wǎng)。近兩年，5G 也成為了大眾耳熟能詳?shù)募夹g(shù)名詞。據(jù)統(tǒng)計，普通智能手機用戶每天點亮屏幕的次數(shù)不少于 47 次。

當我們每次向遠方的好友發(fā)送信息時，信息通過無線信號從手機發(fā)送出去，而對方也是通過無線信號接收的。但無線信號是怎么跨越幾百公里甚至上萬公里的呢？這不為大眾所知的無名英雄就是光纖通信。對于全球的通信基礎(chǔ)設施來說，光纖其實承載了 90% 以上的通信流量，扮演著“主動脈”的角色。

光纖通信的歷史可以回溯到上世紀六十年代。1966 年，“光纖之父”高琨先生發(fā)表論文提出光纖可以作為長距離高速通信的介質(zhì)。此后，光纖通信系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)代技術(shù)革命，使得一根光纖里可以傳輸?shù)男畔⑷萘吭鲩L了兩百多萬倍。2009 年，高琨先生因這一偉大貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。同年，100G 數(shù)字相干光通信系統(tǒng)問世，標志著光纖通信正式邁入相干時代。也就在這一年，現(xiàn)任上海交通大學副教授的諸葛群碧遠赴加拿大麥吉爾大學求學，正式踏上了光通信的研究之路。

為了進一步提升單根光纖的傳輸容量，數(shù)字相干系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理算法來補償光信號在光纖中傳輸時受到物理損傷所導致的失真。在攻讀博士學位期間，諸葛群碧提出了一系列新型算法，對激光器相位噪聲、光收發(fā)機損傷、光纖偏振效應等系統(tǒng)損傷進行有效補償，并且前瞻性地設計了靈活速率和帶寬可變的光通信系統(tǒng)架構(gòu)，成果受到了廣泛認可。

憑借在光通信系統(tǒng)領(lǐng)域取得的優(yōu)異成果，諸葛群碧入選了《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35）2020 年中國區(qū)榜單。

圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2020 年中國區(qū)榜單入選者諸葛群碧

“你們發(fā)的微信，背后的信號傳輸有可能就是經(jīng)過我設計的算法進行處理的”

光纖通信如今作為一個成熟的行業(yè)，在研究上需要與產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行緊密結(jié)合。因此，諸葛群碧在畢業(yè)之后首先選擇加入了工業(yè)界。同期，他也受聘擔任麥吉爾大學的兼職教授，負責共同指導博士生的研究工作。這種橫跨工業(yè)界和學術(shù)界的模式，給諸葛群碧的研究帶來了獨特的視角，幫助他取得了真正推動行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新成果。

信號從手機出發(fā)，在空中經(jīng)過幾十上百米的傳輸達到無線基站，再轉(zhuǎn)換為光信號，通過埋在地下的光纖傳到百千公里之外的另外一個無線基站，再轉(zhuǎn)換為無線信號，到達另外一個用戶的手機。通信領(lǐng)域關(guān)系到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，比如上網(wǎng)課、視頻通話等等。

拿 5G 舉例，你或許想象過，有一天不再需要朝九晚五去公司上班，在家中和老板同事交流超高清、無延遲；公路上的汽車自己跑，你坐著打盹但交通井然有序；當你回家時，指紋開鎖聯(lián)動，燈和電器自動打開，你可以立即準備晚餐……在 5G 時代，8K 直播、自動駕駛、智能家居、VR、AR、遠程醫(yī)療等等都將成為現(xiàn)實，而 5G 所基于的通信基礎(chǔ)設施的發(fā)展，離不開光通信。

光通信對 5G 部署至關(guān)重要。工信部通信科技委常務副主任韋樂平說：“'全光網(wǎng)’是 5G 的起點和最理想承載技術(shù)”，5G 的骨干網(wǎng)、承載網(wǎng)、基站與基站之間的連接以及基站進行前傳和回傳都離不開光通信。

打個比方，如果 5G 網(wǎng)絡是毛細血管，那么光纖就是主動脈。簡單來說，5G 信號通過基站發(fā)射出來，手機接收 5G 的信號使我們能正常上網(wǎng)，而基站的信號則通過光纖傳輸?shù)诫娦艡C房，電信機房也是通過光纖連接。以無人駕駛為例，按每天行駛 1.5 小時計算，每輛無人駕駛汽車產(chǎn)生 4TB 的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自攝像頭、雷達，通過云連接上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心、服務器之間的通信就需要通過光纖來實現(xiàn)。

光纖通信具有通信容量大、中繼距離長、保密性能好等優(yōu)點，而且光通信是整個通信基礎(chǔ)設施最重要的組成部分之一。諸葛博士說：“如果沒有光纖通信的發(fā)展，今天的高速互聯(lián)網(wǎng)將不復存在，而我們也將回到'從前郵件很慢，車馬很遠’的時代?！?/span>

實現(xiàn)光聯(lián)萬物的美好愿景

諸葛博士介紹，他的研究方向概括來說就是光纖通信，而核心骨干光網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)和 B5G/6G 光技術(shù)是其主要聚焦的三個應用場景。

核心骨干光網(wǎng)是通信的基礎(chǔ)設施。骨干網(wǎng)一般都是廣域網(wǎng)，作用范圍幾十公里到幾千公里，城市之間、國家之間、大陸之間都是基于光纖來進行通信的。光通信關(guān)鍵要看速率。有人說，如果把 10G 比作老爺車，100G 比作代步車，那么 400G/800G 就如同超級跑車。

諸葛博士的研究幫助打造了一輛“超級跑車”——他在光傳輸架構(gòu)、數(shù)字算法和編碼調(diào)制技術(shù)方面的研究創(chuàng)新，幫助光通信單波速率從 100G 增長到了 800G。他多次打破光傳輸速率世界紀錄，其中包括首個傳輸 80 公里的單波 400G 直檢光傳輸系統(tǒng)；他實驗演示了首個連續(xù)可調(diào)速率的光通信系統(tǒng)，并實驗首次證明了多子載波系統(tǒng)的光纖非線性增益，近年來都已成為商用系統(tǒng)的重要特性；他還提出了一系列基于機器學習的光監(jiān)測技術(shù)，并實現(xiàn)了商用相干數(shù)字芯片中的行業(yè)首個 AI 感知算法落地，未來將繼續(xù)致力于智慧全光網(wǎng)的構(gòu)建。

（來源：諸葛群碧）

諸葛博士聚焦的第二個領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)，嘗試研發(fā)最低成本的系統(tǒng)，同時滿足數(shù)據(jù)中心通信容量的需求。他相信數(shù)據(jù)中心是光纖通信在未來的十年或者更長時間能夠發(fā)揮巨大作用的地方。有研究報告曾指出，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算的發(fā)展，全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和應用數(shù)據(jù)處理都在數(shù)據(jù)中心進行，光通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心得到大量的使用，光通信的應用主體從電信運營商網(wǎng)絡轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心成為光通信的最大市場。諸葛群碧帶領(lǐng)的團隊已在這片疆土開拓。

他們在 2019 年為騰訊數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡的智能管控平臺研發(fā)了光纖信道模型，幫助其構(gòu)建一個低余量的光網(wǎng)絡來增加網(wǎng)絡容量。這個模型為騰訊數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡平臺提供了先驗機制以輸出對應配置，賦予了該平臺控制器在線診斷能力，實現(xiàn)自動化并最終像智慧管控進行演進。他們的研究成果也被騰訊官方公眾號“鵝廠網(wǎng)事”專題報道，成為該公眾號唯一的高校合作成果報道。

B5G 和 6G 是通信領(lǐng)域未來十年的聚焦方向，諸葛博士的第三個研究目標則是探索光技術(shù)在 B5G/6G 中的應用。他近期受聘華為無線光應用技術(shù)能力中心顧問，在未來將與華為展開深度合作，共同推動光與無線的融合，助力 B5G/6G 發(fā)展。

諸葛群碧團隊將通過和行業(yè)領(lǐng)軍公司包括華為和騰訊建立深度合作，推動其研究成果進行產(chǎn)業(yè)化。他說：“我相信我們的研究成果將對未來光纖通信和光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用，為實現(xiàn)光聯(lián)萬物的美好愿景做出我們的貢獻?！?/span>

聚焦系統(tǒng)和網(wǎng)絡層面的基礎(chǔ)科學問題和關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

從材料到器件到系統(tǒng)，從算法到網(wǎng)絡，從光到電再到數(shù)字，光通信覆蓋的研究領(lǐng)域很廣，諸葛群碧的研究則著重于解決在系統(tǒng)和網(wǎng)絡層面的基礎(chǔ)科學問題和關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

理論上說，實現(xiàn)光通信只需要把通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓笤俎D(zhuǎn)為光信號即可。然而，光信號在光纖里傳輸時，其實有著非常復雜的物理效應，比如激光器中的相位噪聲、光纖中線性和非線性的效應、光電轉(zhuǎn)換器件內(nèi)的物理效應等等，這些效應會影響光信號的質(zhì)量。

諸葛群碧解釋，光在光纖中傳輸時，光的強度的變化會引起光纖介質(zhì)折射率的變化，進而導致信號失真，等效于噪聲的增加。這一現(xiàn)象稱之為光纖非線性效應，也是限制光纖通信容量增長的“罪魁禍首”。另一方面，在實際部署光網(wǎng)絡時，需要對光纖中所有噪聲的量有一個精確的估計，才能配置最佳速率。

（來源：諸葛群碧）

針對上述問題，諸葛群碧帶領(lǐng)團隊在光傳輸和光網(wǎng)絡兩個方面的關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了突破。

他對光纖非線性效應的物理原理和數(shù)學模型展開了深入的研究，提出了可以高效補償非線性損傷的低復雜度數(shù)字信號處理算法，通過在數(shù)字域根據(jù)傳輸信號來計算非線性失真從而進行補償，可以有效地降低非線性噪聲的量。

在當時研究界紛紛關(guān)注提升光通信傳輸速率的時候，諸葛群碧實驗演示了世界首個連續(xù)可調(diào)速率的光通信系統(tǒng)。此外，他在信號的編碼調(diào)制技術(shù)上進行了創(chuàng)新，設計了新型的低復雜度低時延的概率星座整形算法，通過該算法產(chǎn)生的信號不僅可以容量更多的噪聲，在理論上逼近香農(nóng)極限，還可以匹配光纖非線性信道，使信號在傳輸時產(chǎn)生更少的非線性噪聲。

諸葛群碧說，光通信的研究始于 1966 年，前 30 至 40 年的發(fā)展主要是材料和器件的發(fā)展帶來的，而在過去 20 年，數(shù)學和算法的發(fā)展則促進了該領(lǐng)域關(guān)鍵性的發(fā)展。事實證明，他的研究極具前瞻性。

與此同時，他的團隊以構(gòu)建智慧光網(wǎng)絡為目標，將人工智能技術(shù)引入光纖信道的感知、建模與管控，通過準確估計系統(tǒng)的信噪比和運行狀態(tài)，大幅提升光網(wǎng)絡總體容量。他基于“算法”即“感知”的理念，創(chuàng)新性地將傳輸算法與機器學習相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動來挖掘傳輸算法中對于鏈路損傷的關(guān)鍵信息。

光通信領(lǐng)域有著龐大和成熟的產(chǎn)業(yè)體系。諸葛博士介紹：“快速發(fā)展的光通信技術(shù)，將在未來從主動脈走向毛細血管，滲透到信息時代的方方面面，創(chuàng)造出更多應用價值。光通信技術(shù)在光無線融合、片上光互連、工業(yè)光網(wǎng)、車載光網(wǎng)絡等領(lǐng)域都大有可為?！?/span>

培養(yǎng)學生是最重要的KPI

諸葛群碧現(xiàn)在是上海交通大學的副教授。他說：“在我的職業(yè)生涯中，對學生的培養(yǎng)會成為對我而言最重要的一個 KPI。我的學生未來是不是能夠成長為這個領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵人才，他們能不能為社會為國家做貢獻，這些都是我關(guān)心的。”

諸葛博士選擇在學校任教與他的興趣是分不開的。對他來說，關(guān)注基礎(chǔ)科學問題而不是具體技術(shù)或產(chǎn)品的研發(fā)是他的興趣和優(yōu)勢所在。比起在公司中研發(fā)產(chǎn)品，他更愿意與學生一起做有開創(chuàng)性的工作?！白鳛橐粋€工程師或者公司里面的科學家，在我的整個職業(yè)生涯，或許能解決 1 個科學問題，或者做 10 個產(chǎn)品，我只能做這么多。但是，如果培養(yǎng) 10 個優(yōu)秀的學生，他們每個人都去做 10 個產(chǎn)品，這個影響跟我在公司里面是不一樣的?！敝T葛博士說。

在他求學和工作的各個階段，都很幸運地遇到了“貴人”，包括他的博士生導師 David Plant 教授、華為美國研究所的劉翔副總裁等，都對他的學習和工作給予了很大幫助。加入上海交大之后，團隊里的老師們也毫無保留地為他的工作提供了支持。他說：“做學術(shù)是一件幸福感很強的事，年輕的學者總是會得到很多前輩的指導和幫助。”諸葛群碧希望將這種精神傳承下去，幫助學生們實現(xiàn)他們的人生目標，也為祖國的未來培養(yǎng)更多的人才。