高錕:“用光代替電流”

云 帆

讓我們結識一位以自己的發明改變了人類生活的華裔科學家。他叫高錕，1933年出生于中國上海，今年76歲了。他于1957年畢業于英國伍爾維奇理工學院，隨后到英國標準電話電纜公司工作。

1964年，光纖通信新設想

1964年8月，31歲的高錕在英國科學進展協會發表演講，提出一個讓所有聽眾興奮的想法：在未來的電話網中，我們完全可以用光代替電流，用玻璃纖維代替導線，實現新一代通信技術——光纖通信。

在那時，光纖通信的理想，無異于癡人說夢、異想天開。為什么?玻璃纖維的透明度太低，怎么可能傳送光信號?假設作這樣一個實驗：有一根1千米長的光纖，從它的一端輸入光信號，在另外一端測量輸出的光信號。在1960年代中期，這樣的實驗會有什么結果呢?這個輸出信號簡直是“微乎其微”的“天文小數”輸入信號與輸出信號之比，等于10的100次方!用科學家的術語表示就是：玻璃纖維的損耗為1000分貝／千米。

“用玻璃纖維代替導線”的設想誕生以后，高錕就面臨一個巨大的課題：如何降低玻璃纖維對光信號的損耗?他一直在思考這樣的問題：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?

經過大量的實驗，高錕發現，玻璃纖維的損耗太大，主要是因為石英玻璃含有鐵、銅、鎳、鎘、鈷等雜質離子對光的吸收。此外，石英玻璃結構上存在缺陷，也會吸收光或散射光。解決玻璃纖維損耗問題的頭緒清晰了，高錕和他的同事在1965年的圣誕節前完成了他們的論文。

1966年，高錕等的論文《介質纖維表面光頻波導》發表了。在論文中，高錕預言，用石英玻璃纖維進行長距離信息傳輸，將帶來一場通信技術的革命。他滿懷信心地指出，當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。

1970年代，光纖損耗逐年降

高錕深知，這個“降低玻璃纖維損耗”的任務非常嚴峻，要成功，必定要動用龐大的人力和物力。因此，論文發表以后，為了推動低損耗玻璃纖維研究和光通信的發展，高錕隨即前往美國、日本、聯邦德國進行學術交流。1966年，他到美國一家通信巨頭的著名實驗室推廣自己的主張，但是沒有獲得共鳴。

可喜的是，高錕在通信界以外的玻璃生產商康寧玻璃公司找到了知音。康寧公司贊賞高錕的理論。后來，這家公司的羅伯特·莫勒研究小組，借助半導體工業的氣相沉淀技術，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(光波長為1.55微米)。在他們進行的實驗中，信號通過25千米長的光纖傳送到遠處的接收設備。高錕在1966年提出的日標，被康寧公司實現了。為了這個目標，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(光波長為1.55微米)。這個數據有什么意義呢?我們把理論極限值說出來，你就明白了：光波長為1.55微米時，光纖損耗的理論極限是0.11分貝／千米。

可以說，1970年代，是走向光纖通信的關鍵的10年。高錕為實現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的人們，也將被歷史所記憶，他們是美國科學家卡普朗、凱克、莫勒。

1980年代，光纜干線通千里

到1970年代，光纖損耗降下來了，半導體激光器的壽命提上來了，構成光纖通信系統的主要元器件比較成熟了。光纖通信已是“水到渠成”。1976年，在美國佐治亞州首府亞特蘭大，光纖通信實驗獲得成功。

1977年，第一個實用光纖通信系統開始工作。人們利用光纖將把美國空軍的風洞試驗設備與1.6千米以外的計算機連接起來。

1979年，光纖通信進入商業應用。在歐洲，法國的光纜電視開始運營；聯邦德國的光纜通信線路(長度為15.4千米)投入使用。

1983年，在美國，從紐約到華盛頓的600千米光纜通信線路開始運營。1984年，美國長達1250千米的光通信“東北走廊干線”開通。

1985年，日本建成從北海道至九州的光纜干線，全長2200千米。

就在1985年，人們開始將光纜鋪設到海洋里。

1988年，海底光纜越大洋

在談論海底光纜之前，先說說海底電話電纜。1956年，第一條穿越大西洋的海底電話電纜TAT－1正式啟用，它把加拿大與英國聯系起來。

TAT-1直徑1.6厘米，每隔70.5千米設有一個增音器：可以允許36路電話同時通話。TAT-1在水下默默工作了22年，于1978年宣布報廢。

1988年，全長6630千米，連接美國和英國、法國的大西洋海底光纜TAT-8建成并投入運營。

TAT-8直徑2.1厘米，結構能適應海洋工作環境；每隔50千米設一增音器，總共有125個增音器，在25年的壽命期間損壞的增音器不得超過3個。能同時傳送38000路電話，這一容量等于國際通信衛星-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：設計壽命為25年。

2009年，高錕終于獲諾獎

“光纖”的發明者高錕，早就被人們譽為“光纖之父”。他先后獲得巴倫坦獎章、利布曼獎、光電子學獎金等重大獎項。但是，幾十年過去了，他未能獲得諾貝爾獎。

這讓人想到集成電路的發明者基爾比。他也早就被人們稱作“集成電路之父”。基爾比曾先后獲得巴倫坦獎章、美國科學獎章、美國技術獎章等許多重大獎項。直到2000年前，40年過去了，他未能獲得諾貝爾獎。

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

諾貝爾獎終于垂青偉大的應用性發明，開始重視偉大的技術發明。9年前，它決定讓基爾比與阿爾費羅夫和克勒莫分享2000年諾貝爾物理學獎；今年，它讓高錕與威拉德·博伊和喬治·史密斯分享2009年諾貝爾物理學獎。

2009年1O月6日，瑞典皇家科學院宣布，將2009年諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕以及美國科學家威拉德·博伊和喬治·史密斯。瑞典皇家科學院說，高錕在“有關光在纖維中傳輸實現光學通信方面”取得了突破性的成就。他獲得了2009年諾貝爾物理學獎一半的獎金，即大約71.8萬美元。威拉德·博伊和喬治·史密斯因發明半導體成像器件——電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器，分享2009年諾貝爾物理學獎另外一半的獎金。

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

【責任編輯】蒲輝