神奇的『玻璃絲』
——光纖的發(fā)明故事

◆本刊綜合

從“樓上樓下，電燈電話”到智能手機(jī)的普及，從2G、3G 到4G 網(wǎng)絡(luò)的迭代升級(jí)，再到如今5G 時(shí)代的萬(wàn)物互聯(lián)，……速度大幅度提升的帶寬、各種終端的互聯(lián)、傳媒介質(zhì)的升級(jí)，改變著人們的生活方式，人類文明的進(jìn)程開(kāi)始與網(wǎng)絡(luò)相伴相隨。這些功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)光通信技術(shù)的發(fā)展。

何為光通信技術(shù)？它又是如何發(fā)展而來(lái)的呢？

“走彎路”的光

光通信是一切利用光作為載體傳送信息的通信方式的總稱。無(wú)論是烽火臺(tái)、遠(yuǎn)距離觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡，還是交通信號(hào)燈，都是光通信的不同表現(xiàn)形式。雖然這些都不是真正意義上的光通信，但人類從未停止尋找理想的光傳輸介質(zhì)。

1870 年的一天，英國(guó)物理學(xué)家廷德?tīng)栐趯?shí)驗(yàn)中觀察到一個(gè)現(xiàn)象：照入盛水容器中的光竟會(huì)沿著出水口往外倒水時(shí)的水流出現(xiàn)彎曲。這似乎與光只能直線傳播的定律不符，難道光也可以“走彎路”？事實(shí)上，這時(shí)的光線仍沿直線傳播，只是在水流中出現(xiàn)了光反射現(xiàn)象。

然而，廷德?tīng)柕倪@一發(fā)現(xiàn)直至1955 年才開(kāi)始被實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)時(shí)在英國(guó)倫敦英國(guó)學(xué)院工作的卡帕尼博士發(fā)明了用兩種細(xì)如發(fā)絲，且對(duì)光有著不同折射率的玻璃制成的光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱“光纖”。由于這種光纖衰減損耗大，傳送距離短，起初只應(yīng)用于醫(yī)學(xué)上，但科學(xué)家也因此看到了光通信的曙光。

性能上的突破

1959 年，美國(guó)物理學(xué)家梅曼發(fā)明了世界第一臺(tái)激光器，人類從此進(jìn)入激光時(shí)代。但當(dāng)時(shí)最好的光纖的衰減損耗仍在1000 分貝/千米，要想將光纖應(yīng)用于通信，還需在激光器和光纖的性能上取得突破。

1966 年7 月，物理學(xué)家高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了重要論文并預(yù)言：只要能降低玻璃纖維中的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗降低到20分貝/千米。高錕還首次提出將其用在通信領(lǐng)域的可能。這一觀點(diǎn)鼓勵(lì)了世界各地科學(xué)家爭(zhēng)相為研究出低損耗光纖而努力。

圖1 由數(shù)千根單絲組成的一束玻璃纖維原絲（圖/新華網(wǎng) 劉磊 攝）

1970 年，世界第一根低損耗的石英光纖被成功研制出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了20 分貝/千米的傳輸損耗，同年，美國(guó)第一次制造出對(duì)光纖通信有實(shí)用價(jià)值的光纖樣品。高錕因在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，獲得了2009 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，被譽(yù)為“光纖之父”。

我國(guó)光纖“第一人”

趙梓森是我國(guó)光纖通信技術(shù)的主要奠基人和開(kāi)拓者。

圖2 中國(guó)工程院院士趙梓森回憶當(dāng)年探索光纖通信的歷程（圖/新華社 程敏 攝）

1973 年，趙梓森偶然從雜志上得知美國(guó)正在進(jìn)行光纖通信研究的消息。玻璃絲還能通信？趙梓森敏銳地察覺(jué)到光通信的重要性。1974 年8 月，趙梓森經(jīng)深入研究后，提出石英光纖通信技術(shù)方案，開(kāi)始了我國(guó)光纖技術(shù)攻關(guān)。三年后，我國(guó)第一根實(shí)用型、短波長(zhǎng)和階躍型石英光纖誕生了。1979 年，趙梓森團(tuán)隊(duì)研制出中國(guó)第一根每千米衰減損耗僅4 分貝的光纖，拉開(kāi)了中國(guó)光纖通信事業(yè)的序幕。

近日，國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了在67千米長(zhǎng)的光纖上，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)1.7拍字節(jié)/秒（1 拍字節(jié)相當(dāng)于100 萬(wàn)吉字節(jié)），刷新了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸速度的最新紀(jì)錄。這意味著這根光纖足夠承載百萬(wàn)個(gè)家庭互聯(lián)網(wǎng)的全速運(yùn)行，開(kāi)啟了人類通往信息高速的大門。