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敬悼光纤之父
2018-09-25 16:13:03   来源:   评论:0 点击:

2018年9月23日, 诺贝尔物理学奖得主、光纤之父高锟离世,享年84岁。高锟先生于1966年就光纤传输发表了具有划时代意义的论文,证明用玻璃

2018年9月23日, 诺贝尔物理学奖得主、“光纤之父”高锟离世,享年84岁。

高锟先生于1966年就光纤传输发表了具有划时代意义的论文,证明用玻璃纤维可长距离传递信息,打破玻璃纤维在早期只能短距离传输的理论难题,从此开启了光纤通信新纪元,并于2009年获得诺贝尔物理学奖,被尊称为“光纤通信之父”(Father of Fiber Optic Communications)。

光纤通信,作为20世纪人类社会所取得的最伟大的技术成就之一,是人类迈向信息化时代的重要基石。如果没有光纤通信的发明,就没有今天的信息社会,我们就无法享受今天的光宽带和移动互联生活。

敬悼光纤之父!致敬科学伟人!

以下是一部光纤通信简史,记录了科学先驱们不断奋斗,历经无数挫折与失败,将人类一步步推进高速信息时代。

历经115年,人类发明了光纤

1841年,Daniel Colladon和Jacques Babinet,这两位科学家演示了一个实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后将光照入水流中,光居然被弯弯曲曲的水俘获了:光沿着水桶流出的细流传输,顺着弯曲的水流前进。

 

这一现象叫光的全内反射作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。  

这就是光纤通信的基本原理——光的全内反射原理。

随后,人类将光的全内反射原理应用于玻璃棒来传导光,并得到了实际应用,比如牙科医生用弯曲的玻璃棒来把灯光导入病人的口腔为手术照明。

 

但此时光的全内反射原理仅用于短距离传播领域,要解决光导长距离传输必须将玻璃棒拉成十分坚固和柔韧的玻璃纤维。

直到1887年,一位叫Charles Vernon Boys的英国科学家,将一根加热的玻璃棒放在弩上,当玻璃棒熔化,扣动扳机,在实验室里拉出了一道长长的玻璃纤维。

 

玻璃光导越来越细,成为了光纤,人类又前进了一大步。

可实验终归是实验,要迈出下一步,人类又足足等了50年。1938年,美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司终于可以生产玻璃长纤维了。

可这个时候生产的光纤是裸纤,光纤的传播是利用全内反射原理,全内反射角由介质的折射系数决定,裸纤会引起光泄漏,光甚至会从粘附在光纤上的油污泄漏出去。

怎么办?这个问题人类又探索了13年。

1951年,光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。有了概念,就开始试验。有人试图用人造黄油作为包层,但不实用。也有人也想到了蜂蜡和塑料,比人造黄油好多了,但仍然不实用。

1956年,密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤,他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

 

自此,玻璃包层很快成为标准,塑料包层也相继出现。光纤正式诞生了,接下来就该光纤通信登上历史舞台了。

开创光纤通信时代

1960年代,电话公司普遍预测即将到来的可视电话会大幅增加网络带宽需求,电信工程师们开始探索更大容量的网络传输方式。随着第一台激光器问世,加之光纤的发明,工程师们将目光聚集在利用激光器加光纤的光纤通信方式。

工程师们经过无数次试验,但发现大量的光被玻璃吸收,光在玻璃中会严重衰减,传播损耗太大,光纤根本无法实现远距离通信。

有人已经放弃了,但总有些人不肯轻言放弃,年轻的英籍华人工程师高锟就是这样的人。

 

高锟对“光在玻璃中会严重衰减”不以为然,他并不认为这是无法突破的困境,并开始积极研究光与玻璃的关系,发现光在玻璃中的衰减主要归于三大原因:玻璃分子的吸收与散射、玻璃分子结构不规则的影响、玻璃中杂质的吸收与散射。他认为若能在制造玻璃的过程中去除杂质,就有机会大幅改善光衰减。

如何去除玻璃中的杂质?高锟探访了全世界许多知名的玻璃制造公司,但大部份公司都只对生产艺术玻璃感兴趣,并不愿研究如何提高玻璃的透明度,甚至有人质疑减少杂质与降低光衰减之间的关联性,或根本认为很难制造出杂质含量极低的玻璃。虽然大家都不看好,但在高锟锲而不舍的努力下,终于找到一种在制造过程中利用高温让杂质离子气化的极低杂质石英玻璃,并对光衰减进行了反覆测量。

 

高锟终于得出了一个光纤通信史上突破性的结论:损耗主要是由于材料所含的杂质引起,并非玻璃本身。高锟大胆的提出:光束在高纯度的光纤中传播至少500米时,还有10%的能量剩余。

1966年7月,高锟就光纤传输的前景发表了具有历史意义的论文。该文分析了造成光纤传输损耗的主要原因,从理论上阐述了有可能把损耗降低到20dB/公里的见解,并提出这样的光纤将可用于通信。

你是在开玩笑吧? 很多人,括相关领域的专家们,都认为这简直是天方夜谭。

高锟没有被嘲笑击倒,他像传道士一样到处推销他的信念,远赴日本、德国,甚至美国大名鼎鼎的贝尔实验室。

对于自己相信的东西,高锟很固执。

也许正是出于这样的“固执”,高锟的论文消除了学术界、工业界的疑虑,证明了光导纤维传输信息的可行性,大家马上就跟上来了。

随后,工业界投入人力和财力,科学家、工程师全力以赴,开始根据高锟的理论对光纤通信进行研发。

很快,四年以后,美国康宁公司真的拉出了20dB/公里的光纤。康宁公司第一个实现了与理论一致的结果,并突破了高锟所提出的每公里衰减20分贝(20dB/km)关卡,证明光纤作为通信介质的可能性。

与此同时,使用砷化镓(GaAs)作为材料的半导体激光(semiconductor laser)也由贝尔实验室发明出来,并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。

至此,光纤才真正开始应用于光纤通信,正式揭开光纤通信大发展的序幕…

1972年,传输损耗降低至4dB/km。

1973年,我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信。

1974年,美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法 — CVD法(汽相沉积法),使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。

1976年,贝尔实验室在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统,采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在地下渠道中诞生。与此同时,日本电报电话公司开始了 64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验,并研制成功 1.3微米波长的半导体激光器。

1978年,我国自行研制出通信光缆,采用的是多模光纤,缆心结构为层绞式。

1979年,日本电报电话公司研制出 0.2db/km的极低损耗石英光纤(1.5微米)。

1980年,第一个商用的光纤通信系统问世,采用波长800奈米(nanometer)的砷化镓激光作为光源,传输的速率(data rate)达到45Mb/s(bits per second),每10公里需要一个中继器增强信号。

紧接着,第二代的商用光纤通信系统也问世了,采用波长1300奈米的磷砷化镓铟(InGaAsP)激光。

第三代,第四代,第五代….

如今,高清视频、AR/VR、车联网等应用对网络容量和时延需求越来越高,光纤通信犹如通信网络的血脉,正承载着人类迈进万物智联的5G时代。

世界已进入全光纤时代,而高锟则在2009年获得了诺贝尔物理学奖,被尊称为”光纤之父“。

我只是一个平凡的人,并没有做了不起的事

高锟发明了光纤通信,为人类文明做出了划时代的贡献,但他却一点也没有大科学家的架子。

有人回忆,高锟就像住在你家隔壁的邻居叔伯,非常平实,不认识他的人,根本看不出来他是有名的大科学家。而且高锟对人非常亲切,整天笑咪咪的,虽然总是表现出绝佳的绅士风度,却又不会因为这种风度而给人距离感。

 

高锟于1970年应香港中文大学邀请担任电子系教授及讲座教授,1987年至1996年出任香港中文大学第三任校长,据学生回忆,高锟平易近人,笑容可亲,而且非常热心。他不但是一位出类拔萃的科学家,还是一位谦虚和善的老师。

获得诺贝尔物理学奖时,高锟因患上老年痴呆症,对于自己造福世人的科学研究和“光纤之父”的称誉,已经没有多少感觉了。当问他是不是光纤之父时,他早已忘得一干二净。只有当被问到爱不爱太太时,他回答到:“是啊,她很好呢!”

记得有一次他在接受媒体采访时曾这样说:

我是一个平凡的人,我在做光纤实验时,觉得是一个科学家应该做的事,并不是什么了不起的事。

正是这样一个伟大而朴实的人改变了世界,改变了人类的生活。敬悼高锟教授!
 

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