高錕:“用光代替電流”

云 帆

讓我們結(jié)識(shí)一位以自己的發(fā)明改變了人類生活的華裔科學(xué)家。他叫高錕，1933年出生于中國(guó)上海，今年76歲了。他于1957年畢業(yè)于英國(guó)伍爾維奇理工學(xué)院，隨后到英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電話電纜公司工作。

1964年，光纖通信新設(shè)想

1964年8月，31歲的高錕在英國(guó)科學(xué)進(jìn)展協(xié)會(huì)發(fā)表演講，提出一個(gè)讓所有聽(tīng)眾興奮的想法：在未來(lái)的電話網(wǎng)中，我們完全可以用光代替電流，用玻璃纖維代替導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)新一代通信技術(shù)——光纖通信。

在那時(shí)，光纖通信的理想，無(wú)異于癡人說(shuō)夢(mèng)、異想天開(kāi)。為什么?玻璃纖維的透明度太低，怎么可能傳送光信號(hào)?假設(shè)作這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：有一根1千米長(zhǎng)的光纖，從它的一端輸入光信號(hào)，在另外一端測(cè)量輸出的光信號(hào)。在1960年代中期，這樣的實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么結(jié)果呢?這個(gè)輸出信號(hào)簡(jiǎn)直是“微乎其微”的“天文小數(shù)”輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之比，等于10的100次方!用科學(xué)家的術(shù)語(yǔ)表示就是：玻璃纖維的損耗為1000分貝／千米。

“用玻璃纖維代替導(dǎo)線”的設(shè)想誕生以后，高錕就面臨一個(gè)巨大的課題：如何降低玻璃纖維對(duì)光信號(hào)的損耗?他一直在思考這樣的問(wèn)題：玻璃纖維的損耗究竟是由什么因素造成的?怎樣能消除這些引起損耗的因素?

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，高錕發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的損耗太大，主要是因?yàn)槭⒉ＡШ需F、銅、鎳、鎘、鈷等雜質(zhì)離子對(duì)光的吸收。此外，石英玻璃結(jié)構(gòu)上存在缺陷，也會(huì)吸收光或散射光。解決玻璃纖維損耗問(wèn)題的頭緒清晰了，高錕和他的同事在1965年的圣誕節(jié)前完成了他們的論文。

1966年，高錕等的論文《介質(zhì)纖維表面光頻波導(dǎo)》發(fā)表了。在論文中，高錕預(yù)言，用石英玻璃纖維進(jìn)行長(zhǎng)距離信息傳輸，將帶來(lái)一場(chǎng)通信技術(shù)的革命。他滿懷信心地指出，當(dāng)玻璃纖維的損耗下降到20分貝／千米之日，就是光纖通信成功之時(shí)。

1970年代，光纖損耗逐年降

高錕深知，這個(gè)“降低玻璃纖維損耗”的任務(wù)非常嚴(yán)峻，要成功，必定要?jiǎng)佑谬嫶蟮娜肆臀锪?。因此，論文發(fā)表以后，為了推動(dòng)低損耗玻璃纖維研究和光通信的發(fā)展，高錕隨即前往美國(guó)、日本、聯(lián)邦德國(guó)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。1966年，他到美國(guó)一家通信巨頭的著名實(shí)驗(yàn)室推廣自己的主張，但是沒(méi)有獲得共鳴。

可喜的是，高錕在通信界以外的玻璃生產(chǎn)商康寧玻璃公司找到了知音?？祵幑举澷p高錕的理論。后來(lái)，這家公司的羅伯特·莫勒研究小組，借助半導(dǎo)體工業(yè)的氣相沉淀技術(shù)，提高了石英玻璃的純度。1970年，莫勒小組研制的光纖，損耗下降到20分貝／千米(光波長(zhǎng)為1.55微米)。在他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)通過(guò)25千米長(zhǎng)的光纖傳送到遠(yuǎn)處的接收設(shè)備。高錕在1966年提出的日標(biāo)，被康寧公司實(shí)現(xiàn)了。為了這個(gè)目標(biāo)，高錕和有志于光纖通信的人士，整整奮斗了4年。

1970年代的10年，是光纖損耗不斷下降的1O年。1974年，光纖損耗下降到2分貝／千米(光波K為1.55微米)。1976年，光纖損耗下降到1分貝／千米(光波長(zhǎng)為1.55微米)。到1970年代末，光纖損耗下降到0.2分貝／千米(光波長(zhǎng)為1.55微米)。這個(gè)數(shù)據(jù)有什么意義呢?我們把理論極限值說(shuō)出來(lái)，你就明白了：光波長(zhǎng)為1.55微米時(shí)，光纖損耗的理論極限是0.11分貝／千米。

可以說(shuō)，1970年代，是走向光纖通信的關(guān)鍵的10年。高錕為實(shí)現(xiàn)光纖通信的理想而不懈奮斗的精神令人贊佩；那些為研制低損耗光纖作出巨人貢獻(xiàn)的人們，也將被歷史所記憶，他們是美國(guó)科學(xué)家卡普朗、凱克、莫勒。

1980年代，光纜干線通千里

到1970年代，光纖損耗降下來(lái)了，半導(dǎo)體激光器的壽命提上來(lái)了，構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的主要元器件比較成熟了。光纖通信已是“水到渠成”。1976年，在美國(guó)佐治亞州首府亞特蘭大，光纖通信實(shí)驗(yàn)獲得成功。

1977年，第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)開(kāi)始工作。人們利用光纖將把美國(guó)空軍的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備與1.6千米以外的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。

1979年，光纖通信進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。在歐洲，法國(guó)的光纜電視開(kāi)始運(yùn)營(yíng)；聯(lián)邦德國(guó)的光纜通信線路(長(zhǎng)度為15.4千米)投入使用。

1983年，在美國(guó)，從紐約到華盛頓的600千米光纜通信線路開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。1984年，美國(guó)長(zhǎng)達(dá)1250千米的光通信“東北走廊干線”開(kāi)通。

1985年，日本建成從北海道至九州的光纜干線，全長(zhǎng)2200千米。

就在1985年，人們開(kāi)始將光纜鋪設(shè)到海洋里。

1988年，海底光纜越大洋

在談?wù)摵５坠饫|之前，先說(shuō)說(shuō)海底電話電纜。1956年，第一條穿越大西洋的海底電話電纜TAT－1正式啟用，它把加拿大與英國(guó)聯(lián)系起來(lái)。

TAT-1直徑1.6厘米，每隔70.5千米設(shè)有一個(gè)增音器：可以允許36路電話同時(shí)通話。TAT-1在水下默默工作了22年，于1978年宣布報(bào)廢。

1988年，全長(zhǎng)6630千米，連接美國(guó)和英國(guó)、法國(guó)的大西洋海底光纜TAT-8建成并投入運(yùn)營(yíng)。

TAT-8直徑2.1厘米，結(jié)構(gòu)能適應(yīng)海洋工作環(huán)境；每隔50千米設(shè)一增音器，總共有125個(gè)增音器，在25年的壽命期間損壞的增音器不得超過(guò)3個(gè)。能同時(shí)傳送38000路電話，這一容量等于國(guó)際通信衛(wèi)星-V的3倍多，是第一條穿越大西洋的海底電話電纜TA-1容量(36路電話)的1000倍：設(shè)計(jì)壽命為25年。

2009年，高錕終于獲諾獎(jiǎng)

“光纖”的發(fā)明者高錕，早就被人們譽(yù)為“光纖之父”。他先后獲得巴倫坦獎(jiǎng)?wù)?、利布曼?jiǎng)、光電子學(xué)獎(jiǎng)金等重大獎(jiǎng)項(xiàng)。但是，幾十年過(guò)去了，他未能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

這讓人想到集成電路的發(fā)明者基爾比。他也早就被人們稱作“集成電路之父”?；鶢柋仍群螳@得巴倫坦獎(jiǎng)?wù)?、美?guó)科學(xué)獎(jiǎng)?wù)?、美?guó)技術(shù)獎(jiǎng)?wù)碌仍S多重大獎(jiǎng)項(xiàng)。直到2000年前，40年過(guò)去了，他未能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

但是，在今日世界又有誰(shuí)能不承認(rèn)，在最近的幾十年里，集成電路和光纖使人類的生活發(fā)生了根本的改變?

諾貝爾獎(jiǎng)終于垂青偉大的應(yīng)用性發(fā)明，開(kāi)始重視偉大的技術(shù)發(fā)明。9年前，它決定讓基爾比與阿爾費(fèi)羅夫和克勒莫分享2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；今年，它讓高錕與威拉德·博伊和喬治·史密斯分享2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2009年1O月6日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕以及美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊和喬治·史密斯。瑞典皇家科學(xué)院說(shuō)，高錕在“有關(guān)光在纖維中傳輸實(shí)現(xiàn)光學(xué)通信方面”取得了突破性的成就。他獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，即大約71.8萬(wàn)美元。威拉德·博伊和喬治·史密斯因發(fā)明半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，分享2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)另外一半的獎(jiǎng)金。

“光流動(dòng)在細(xì)小如線的玻璃絲中，攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳向四面八方，文本、音樂(lè)、圖片和視頻節(jié)目在瞬間傳遍全球”。這散文般的語(yǔ)言實(shí)際是在歌頌高錕43年前的理想——“用光代替電流，用玻璃纖維代替導(dǎo)線”。(文章代碼：2203)

【責(zé)任編輯】蒲輝