“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

2006年12月26日,中国台湾南部海域发生了7.2级的地震,虽然没有造成人员伤亡和建筑物损失,但破坏却十分严重。地震造成13条国际海底光缆受损,中国至欧洲大陆部分语音通信和数据专线中断,更为严重的是,互联网大面积拥堵、瘫痪,中国、日本、韩国、新加坡成为重灾区。

这件事告诉我们,现今人类已经离不开信息,而信息离不开海底光缆。在不声不响中,这些比头发丝还细的石英玻璃光导纤维影响着亿万人的生活,它们的畅通牵动着全世界人的神经!

提到光缆,不能不提起一位华裔科学家,他就是高锟。

“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

高锟

1933年高锟出生于上海,童年时候的他迷上了化学,他家的三楼就是他的实验室。他自制的东西五花八门,有灭火筒、烟花、爆竹、晒相纸,甚至试做过炸药。他用红磷粉混合氯酸钾,与泥拌和搓成弹丸,他把风干后的弹丸扔下三楼,结果爆炸了,幸好没有伤着人。后来,他又迷上了无线电,自己组装了六七个真空管的收音机。这些经历,一点点地开启了高锟科学智慧的潜能。

考入香港大学以后,由于当时的香港大学没有他想要学的电机工程专业,只好转到了伦敦大学。1963年,在伦敦大学博士研究生还没有毕业时,高锟就加入英国哈罗电信标准实验室工作。他先后辗转在4个部门里工作,从理论到实践积累了丰富的经验,后来被指定为电子光学研究组的负责人。

“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

高锟在实验室(60年代)

1964年12月是高锟进入成功道路的关键时刻,他接管了这个实验室的光学通信项目。多年来,这个研究组的前任领导一直热衷于薄膜波导通信,但高锟却独具慧眼。自从激光问世之后,这种能长距离传输的特殊光就引起了他的注意,他意识到利用激光进行光纤通信更具有发展前景,于是放弃了已经进行了多年的项目,毅然开启光纤通信研究。此举意味着另起炉灶,一切从头做起,不仅要从理论上论证光导纤维通信的可能性,还要因为激光在空气中传输信号的波动极大,先解决传输激光信号的介质难题。

1965年,在获得伦敦大学电机工程专业博士学位后,高锟立刻全身心地投入到这项研究中。

1966年1月,他向英国电气工程师学会(IEE)递交申请报告,提出了他的大胆设想,并从理论上探讨了光导纤维实现现代通信的可能性及发展前景。

1966年7月7日高锟与英国电气工程师乔治·哈可汗(George Hockham)以“光频率的介质纤维表面波导”为题,联名写出论文,投寄到英国《电气工程师学会进展》杂志上。这篇论文首次从理论上论证了利用玻璃纤维实现光通信的可能性,并成为当今光纤通信的理论基础。

虽然高锟和他的同事哈可汗很早就光纤通信项目开始实验研究,然而他们的这项研究并不被看好,几年中,有不少同行陆续从这个领域退出去。

正如这些人所料,高锟也遭遇到了基础性的困难——玻璃纤维传输信号的损耗问题。要实现光纤通信,光纤所传播的信号衰减值是有极限要求的,即每千米衰减不得超过20分贝。但在当时,制造玻璃纤维的工艺要求十分严格,他们辛辛苦苦研发出来的玻璃纤维衰减值竟然高达每千米1000分贝,有时甚至更高。这意味着,要么接着找,但情况并不乐观,要么像大多数同行那样,转身放弃。

由于认识到这项研究对于通信技术发展的长远意义和商用价值,高锟选择了坚持,他率领研究组展开了寻找材料的攻坚战。他们实验了各种各样的玻璃和其他介质材料,对各种不同材料做不同波长段的精确测量。高锟产生了试一试提纯石英玻璃的想法,因为玻璃材料中的杂质有可能是产生光信号衰减的决定性因素,他认为只要设法减少玻璃中的杂质,衰减自然就会消除。

为了寻找新材料,研发新的器配件,高锟又率领研究组造访了民用和军用的有关单位,访问了美国和日本,参观了许多玻璃和聚合物工厂、研究所,会见各相关领域的工程师、技术人员、科学家和商人,就改进玻璃纤维制作工艺进行切磋。

“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

高锟

1969年,他们终于研发成功一种超级透明石英玻璃纤维,经测量,这种材料每千米信号衰减为4分贝,在民用与军用上都具有极高的应用前景。

在这项研究过程中,高锟共发表论文一百多篇,获得了三十多项专利,既解决了光导纤维芯材料,也解决了光纤的支持外壳材料,同时还研究了对应于高频传输的“太比特”——度量信息的单位技术,正因如此,高锟又被称为“太比特技术之父”“宽带之父”。

现在,加万的氦氖激光器与高锟的光纤通信,这两项发明已经成为现代通信技术的两大里程碑事件。高锟的设想也逐步变为现实,利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广,它们在全世界迅速掀起了一场光纤通信革命。

特别是1977年,贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时宣布研制成功寿命达到100万小时的半导体激光器,更为光纤通信的迅猛发展注入了活力。

1977年,世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥投入商用,速率达到每秒4.5亿比特。

到了2012年,日本电报电话公司宣布单芯光缆已经能达到每秒1000万亿比特 ,在不使用中继器情况下,传输距离达到50千米。现代的光缆还可以把上千根光纤组合在一条光缆中,具有强大的带宽潜力,既可以传输模拟信号和数字信号,又可以传输视频信号。

“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

上图所示为多芯的通信电缆,目前已经达到144芯!仅一束光缆中的一条单根光纤,传输速度就可以达到每秒几千兆比特(Gb/s)的信号。随着互联网应用的爆发性增长,世界各国都在竞相发展超高速、超大容量、超长距离的光纤信息传输技术。信息技术的发展促进了各个科技领域的发展,而科技的迅速发展,又正反馈地使通信技术腾飞起来。所有这一切,都发端于20世纪六七十年代的高锟研究组的工作。

2003年,高锟罹患阿尔茨海默症,大脑萎缩使这位顶尖科学家变得像小孩子那样单纯。昔日的光纤通信之父已经不记得什么是“光纤”了,但是科学并没有忘记他。迅猛发展的光纤通信处处留有高锟的印记。

“宽带之父”:比发丝还细的纤维,牵动着世界神经

高锟领取诺奖时的情景

在2009年的诺贝尔物理学奖颁奖仪式上,高锟获得特许,不必走到台上,免去了三鞠躬的礼仪,瑞典国王卡尔六世破例走下台来到高锟的面前,将诺贝尔奖的奖牌和证书亲自颁发到高锟的手中。

来源:《科学史上的365天》

作者:魏凤文 武轶

部分图源网络

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