“宽带之父”：比发丝还细的纤维，牵动着世界神经

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原文作者：科学史上的365天

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。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。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。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。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。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 武轶部分图源网络版权归原作者所有编辑：张润昕

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编辑：木心

新闻来源：中科院半导体所，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。