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光纤通信鼻祖—高锟

光纤之父
高锟——光纤之父、诺贝尔物理学奖得主
       高锟1933年出生于江苏省金山县(今上海市金山区),从小就对科学很有兴趣,喜欢做模型、烟火,还把自制的泥巴外皮“炸弹”扔到街头,发生爆炸,幸好没有伤到路人。家中的三楼一直是他童年的实验室。
       高锟一家1948年移居香港,1954年赴英国攻读电机工程,1957年获得伦敦大学电子工程理学学士学位,1965年获得伦敦大学博士学位。
       1960年,高锟进入美国国际电话电报公司(InternationalTelephoneandTelegraph,ITT)设于英国的欧洲研究中心——标准电信实验室(Standard Telecommunication Laboratory,STL)任工程师,重点研究毫米波微波传输通信系统。研究三年后,他发现该技术面临着各种限制,没办法从根本上改善通信。1964年,他提出在电话网络中以光波代替电波,以硅纤维代替铜导线。1966年7月,33岁的高锟登上了人生的第一座高峰,发表了《用于光波传输的电介质纤维表面波导》(Dielectric-fibersurfacewaveguideforopticalfrequency)的里程碑论文,他预测,当玻璃纤维损耗下降到20dB/km时,以石英玻璃纤维作长途信息传递的介质将带来一场通信业的革命。但是,当时热门的通信技术是毫米波空心波导通信和金属空心管内一系列透镜构成的光波导,贝尔实验室的研究重点还是空心光波导。因此,这篇论文刚发表时,并没有在通信界引起人们的注意,主流的研究室都不看好光纤通信,甚至有人讥讽其为痴人说梦。
       当然,做出损耗低于20dB/km的玻璃纤维并不是一件容易的事,要知道当时世界上最好的光学玻璃是德国的照相机镜头,其损耗是700dB/km,常规玻璃损耗约为几万dB/km。因此,当时贝尔实验室的权威专家都断定光纤通信没有前途,继续致力于研究空心光波导系统。高锟访问贝尔实验室,想寻求帮助时,还受到了冷遇。
       不过,高锟并没有因此灰心。为了找到那种没有杂质的玻璃,高锟跑了很多地方,去了许多玻璃工厂。高锟的执着打动了英国国防部和英国邮政总局。1967年,英国邮政总局拨款给高锟研究光学纤维。
       当时世界最大的玻璃公司康宁(Corning)看到高锟的预言后,斥资3000万美元,在1970年首次研制成功损耗为20dB/km的光纤。
       至此,贝尔实验室的研究员开始相信高锟的研究,1970年也开始研究光纤通信,1972年停止了所有空心光波导的研究。1973年,美国贝尔实验室研制出损耗降低到2.5dB/km的光纤。1970年,室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器也研制成功。1976年后,各种实用的光纤通信系统陆续面世。低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功,是光纤通信发展的重要里程碑。
       高锟曾说过,所有的科学家都应该固执,只要觉得自己是对的,就要坚持,否则不会成功。是的,正因为他的坚持,我们才能迎来光纤通信的时代。
       高锟著有《光纤通信系统:理论、设计和应用》(OpticalFiberSystems:Technology,Design and Applications),于1982年由麦克劳希尔(McGraw-Hill)出版社出版;另著有《潮平岸阔——高锟自述》,2005年由香港三联书局出版。
       人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找,经过不懈的努力,人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫作光学纤维,简称“光纤”。人们用它制成了在医疗上用的内窥镜(胃镜)。但是它的衰减损耗很大,只能传送很短的距离。
       直到20世纪60年代,最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在1000dB/km以上,这是什么概念呢?10dB/km就是输入的信号传送1km后只剩下了十分之一,20dB就表示只剩下百分之一,30dB是指只剩千分之一,以此类推,1000dB的含意就是只剩下1/10100,这是无论如何也不可能用于通信的。因此,当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信的希望渺茫,从而放弃了光纤通信的研究。
光波通信
       就在这种情况下,出生于上海的高锟(K.C.Kao)博士,通过在英国标准电信实验室所做的大量研究的基础上,对光波通信做出了一个大胆的设想。他认为,既然电可以沿着金属导线传输,那么光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7月,高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文,论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因,大胆地预言,只要能设法降低玻璃纤维的杂质,就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到20dB/km,从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞,加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。
       在高锟早期的实验中,光纤的损耗约为1000dB/km,他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性,而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的,如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下,光纤损耗就可以减小到10dB/km,再通过改进制造工艺,提高材料的均匀性,可进一步把光纤的损耗减小到几dB/km。这种想法很快就变成了现实,1970年,光纤进展取得了重大突破,美国康宁(Corning)公司成功研制损耗为20dB/km的石英光纤。这是什么概念呢?用它和玻璃的透明程度比较,光透过玻璃功率损耗一半(相当于3dB)的长度分别是:普通玻璃为几厘米、高级光学玻璃最多也只有几米,而通过每千米损耗为20dB的光纤长度可达150m。这就是说,光纤的透明程度已经比玻璃高出了几百倍!在当时,制成损耗如此之低的光纤可以说是惊人之举,这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。
        在现已安装使用的光纤通信系统中,光纤长度有的很短,只有几米长(计算机内部或机房内),有的又很长,如连接洲与洲之间的海底光缆。20世纪70年代中期以来,光纤通信的发展速度之快令人震惊,可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已成为所有通信系统的最佳技术选择。
        由于高锟(Charles K.Kao)在开创光纤通信历史上的卓越贡献,1979年5月获得了瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金,1996年南京紫金山天文台以他的名字命名了一颗小行星(编号为3463)“高锟星(Kaokuen)”,1998年IEE授予他荣誉奖章。2009年10月6日,瑞典皇家科学院又授予高锟2009年度诺贝尔物理学奖。
        目前,一种超低损耗光纤在1550nm波长的损耗仅为0.149dB/km,接近了石英光纤的理论损耗极限。图1.2.4d表示目前正在应用的利用光导纤维进行光通信的示意图。
2009年高琨教授领取诺贝尔物理学奖
        在光纤损耗降低的同时,作为光纤通信用的光源,半导体激光器也被发明出来,并取得了实质性的进展。1970年,美国贝尔实验室和日本NEC先后研制成功室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器。1977年半导体激光器的寿命已达到105小时,完全满足实用化的要求。
        低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功,是光纤通信发 展的重要里程碑。