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高錕---一位以“光纖通信”創造歷史的科學家
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    瑞典皇家科學院2009106日宣布,將2009年諾貝爾物理學獎授予包括英國華裔科學家高錕在內的3位科學家。 高錕先生,1933年生于中國上海,1957年和1965年分別取得英國倫敦大學電機工程學士博士學位,曾任香港中文大學校長。高錕為光纖通訊、電機工程專家,世稱“光纖之父”。

    信息傳輸自古至今都是人們生活不可缺少的一部分,從古代社會的烽火臺到郵驛,再到19世紀人們發明了電報、電話等通過電子媒介進行信息傳輸。隨著人們對信息需求的不斷提高,人們越來越迫切需要尋找到一種高速、便捷、傳輸距離長同時還要兼具制造成本低廉的信息傳輸媒介。1935年在美國紐約和費城之間敷設了第一根用于長途通信的同軸電纜。在上世紀50~60年代期間,為了進一步探索未來大容量通信的傳輸線路,業界曾致力于毫米波H01 型模的金屬園波導管及超導同軸電纜的探索與開發,但均未獲得突破。

    1966年,在英國ITT Standard Telecommunications Laboratories工作期間,高錕發表了一篇題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文,開創性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理,描述了長途及高信息量光通信所需介質纖維的結構和材料特性。當時, 主流學者的共識是;玻璃中光損耗太高,光纖雖然可用在短短的胃鏡導管上,但用于長距離通信根本不可能。高錕先生卻不信其邪。他對通信系統詳細分析后指出;當光損耗下降到20dB/km, 玻璃纖維就有實用價值。他通過對光在玻璃纖維中吸收、散射和彎曲損耗機理的深入分析后得出結論:只要解決好玻璃純度和成分等問題,用熔石英制作的光學纖維可以成為實用的光通信傳輸媒質。這一設想提出之后,有人稱之為匪夷所思,也有人對此大加褒揚。但在爭論中,高錕的原創性工作在全世界掀起了一場光纖通信的革命。

 

       高錕的這篇具有歷史意義的論文于1966年發表后。當時人們還無法制造出可以達到高錕要求的那種“超純凈玻璃”。所以高錕提出利用高純度的玻璃——光纖來傳送訊息時,人們認為這簡直是天方夜譚。試想如果當年他因此而放棄的話,便沒有今日的光纖技術,更沒有能給我們的生活帶來如此巨大變化的互聯網了。科學的價值,往往就在于揭示出某種技術的極限,如果這種極限是可以實現的,那就意味著為新技術開啟了一扇通向成功的大門。

    在高錕原創性理論的推動下,4年后,美國康寧公司的工程天才Robert D. Maurer1970年設計和制成世界上第一根低損耗石英光纖(損耗為20dB/Km,波長為0.63mm)。他采用的方法,是在一根芯棒上氣相沉積石英玻璃,隨后抽去芯棒,將玻璃管燒縮成光棒后拉成光纖。氣相沉積時通過改變玻璃組分,形成高折射率的纖芯和低折射率的包層的光纖波導結構,此光纖波導結構被一直沿用至今。

    1974年美國貝爾實驗室的John MacChesney 開發出MCVD(改良的化學氣相沉積)工藝, 成為世界上第一個商用制棒技術, 速被世界各國采用, 及時地推動了光纖通信的實用化。

鑒于高錕、Robert D. MaurerJohn MacChesney在光纖技術的奠基性工作和巨大成就,1999年他們三人成為工程界最高獎項的NAE Charles Stark Draper獎的共同得主。

    他們的得獎詞正確地反映了他們對光纖技術發展的歷史性貢獻,摘錄如下:

For the conception and invention of optical fiber for communications and for the development of manufacturing processes that made the communications revolution possible.

    在高錕原創性理論的推動下,光纖波導傳輸理論在上世紀七十年代也得到長足的發展,從而為光纖技術的發展和實用化奠定了理論基礎。光纖波導理論源起于上世紀二十年代初Debye(1921)的介質波導理論,但由于光在光纖中的損耗機理、光纖波導的弱導性、微小的光纖截面尺寸以及其它傳輸特性均與微波介質波導不相同,故光纖波導理論是一門獨立的理論。一大批學者為此作出了原創性的貢獻, 有關文獻浩如煙海。這里僅擷數例, 以窺一斑:如Snyder, A.W. (1969) Gloge,D.(1971) 基于光纖波導的弱導性, 即(n1-n2« n1 (n1n2分別為光纖纖芯和包層的折射率), 將經典的模式(兩重和四重)簡并為線性偏振 (LP) , 從而大大簡化了光纖波導的理論分析; Keck,D.B., Olshansky ,R. Petermann, K.等學者對光在光纖中各種損耗機理的理論研究為低損耗光纖制造提供了理論依據; Jeunhomme,L., Marcuse,D. Gambling W.A. 等學者對光纖波導的色散性能的研究則為G.655, G.656等色散位移光纖的開發奠定了理論基礎。

    光纖制造技術也在上世紀七十年代得到長足的發展,繼美國貝爾實驗室的MCVD制棒技術后, 美國康寧公司的OVD(管外氣相沉積)、日本NTT公司的VAD(軸向氣相沉積)以及荷蘭菲利浦公司的PCVD(等離子化學氣相沉積)制棒技術相繼開發成功。光纖損耗在1979年已降低到0.2dB/Km(波長為1550nm),這已接近由瑞利散射損耗所決定的極限值了。現在,高效率的單模光纖的制棒技術均采用PCVD/OVD,OVD/OVD,VAD/OVD,VAD/套管等復合的纖芯/包層光棒工藝。而MCVD工藝主要用于多模光纖、保偏光纖、光敏(傳感)光纖和其它特種光纖的制作。

    在華盛頓和波士頓之間的世界上第一條商用光纖通信系統于1981年建成。短短幾十年間,光纖網絡已遍布全球,至今已在全球敷設了數億公里的光纖,成為互聯網、全球信息通信的基礎。光纖的發明不但解決了信息長距離傳輸的問題,而且極大地提高了效率并降低了成本。今天,二氧化硅光纖已成為通信系統的基石,就如同硅集成電路是計算機的基石一樣。

    因高錕的理論而催生的產業龐大得無法估計;從光纖光纜的制造,到光纖網絡通信系統;從通信網、電視網到互聯網;從打網絡游戲到看高清電視,光纖已成為整個人類信息社會的基礎。諾貝爾獎評委會是如此描述神奇的光纖:“光波流動在纖細的光纖中,它攜帶著各種信息數據傳遞向每一個方向,文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”

    這次高錕先生以“光通信領域涉及光纖傳輸的突破性成就” 榮獲諾貝爾物理學獎。眾所周知,諾貝爾獎向來只頒給基礎科學,而非應用科學。而高錕憑借應用科學成果,且是43年前的成果獲獎,其中固然有諾貝爾獎自身謀求改革的原因,恐怕更重要的則是光纖支撐起的通信產業,已經在人類社會中扮演起極其重要、不可替代的角色。正是在這樣的背景下,高錕先生43年前的智慧,在今天看來依然熠熠生輝。

 

光纖的發明改變了我們的生活,帶動了整個通信業的大發展,光纖通信發展至今已有幾十年的時間。高錕先生以其在光纖通信領域開創性的成就,終于獲得了2009年諾貝爾物理學獎殊榮,這獎項完全是名至實歸,是對高錕先生杰出貢獻的最高獎。然而,這個獎來的太遲了。高錕先生在獲得如此巨大榮譽之際,卻不幸身陷疾病之痛。回憶起高錕先生長期來對筆者的提攜和幫助,令人不勝唏噓。

    1979年當筆者獲得第一批公派赴美訪問學者的資格時,遠在英國的高錕先生的父親,高君湘老先生得知在親屬中竟然也有從事光纖行業的人,十分欣慰,來信建議筆者去高錕所在的ITT,EOPD (ITT電光產品部)Roanoke,Virginia 做研究工作。但因ITT,EOPD從事光纖的軍事應用研究,無法成行。赴美后,筆者應邀去ITT,EOPD參訪。從此開始了與高錕先生的交往。1981年,筆者結束了在美國Delaware州立大學的研究項目后, 高錕先生舉薦筆者去紐約的SIT(史蒂芬森理工學院) 參加一個由ITT,EOPD資助的“光纖模式復用”研究項目。后因上海交大張煦老師來信,推薦筆者去了GTE Laboratories做研究項目,SIT未能成行。

    高錕先生對我國光纖事業十分關心。1996年他以香港生產力促進會名義向我國家科委提出了發展我國光纖事業的建議書。同時,高錕先生不顧年事已高,還身體力行;1996年退任香港中文大學校長職務后,創立高科技公司“高科橋”,其宗旨是作為高科技公司的橋梁,他初時以顧問工作為主,為世界各地科技公司提供專業意見,包括國內的光纖制造公司。進而以香港為基地,合資開設一家光纖制造公司。其初衷并不在于謀求商業利益,而是為了取得光纖預制棒的實際制作經驗,令香港成為科技轉移中心,來助推內地的光纖制造事業的發展。這充分反映了他關心祖國發展的赤子之心。

 

    光纖技術正在向兩個方向發展;第一波是光纖通信技術,第二波則是隨之而來的光纖傳感技術。光纖通信技術歷經30余年的發展,日臻成熟;光纖傳感技術則是方興未艾。后者也正在借助光纖通信技術的成果處于迅速發展中。

    光纖通信技術的發展令人目不瑕接,筆者也感同身受。上世紀八十年代初,歐美、日本等國興起光纖相干通信技術的研發熱潮,旨在擴展光纖通信系統的距離和帶寬。 筆者也有幸恭逢其盛,1981-1982年間,在美國GTE Laboratories做光纖相干通信研究項目, 項目名稱為Binary ASK, FSK, PSK Coherent Transmission and Heterodyne Detection for Optical Fiber Broad- band Communications” 相干系統與IM-DD系統相比有兩大優點: 一)是它有更高的接收靈敏度, 這是因為相干系統只受限于被接收信號的光的量子噪聲, 在外差相干系統中采用二進制PSK調制, 達到10-9誤碼率,每比特只要有18個光子; IM-DD系統中接收機靈敏度受限于APD倍增噪聲和負載電阻的熱噪聲,達到10-9誤碼率,每比特光子數要有幾百, 甚至幾千個。(二)是相干系統可增加接收機的選擇性。工作在FDM方式時, 可利用置于外差后的微波濾波器用電的方式進行通道選擇, 這就允許在頻域中更密集安排通道, 旨在開發光纖的巨大帶寬潛力。進入90年代后,由于光纖放大器及光纖波分復用技術的迅速發展,相干系統的優點黯然失色,光相干系統的開發只能期待新的技術突破,否則難以與光纖放大器及光纖波分復用技術相匹敵。波分復用技術的迅速發展,也使G.653光纖迅速被G.655G.656光纖所取代。目前, 單一波長的傳輸容量已從2.5Gbit/s, 10 Gbit/s , 發展到40 Gbit/s, 2006年起,已開始120 Gbit/s的研究,這類超大速率的傳輸系統的技術瓶頸在于研究解決色散補償和偏振的時變效應(如一階和二階PMDPDL等)。DWDM的波長間隔已從1.6nm, 0.8nm, 減小到0.4nm(50GHz), 0.2nm(25GHz), 未來甚至還可能到0.1nm12.5GHz)。在C波段(1530-1565nm), 采用10 Gbit/s速率及25GHz的波長間隔, 已可實現1.6Tbit/s (160路光通道´10 Gbit/s)容量的商用長途通信線路。通信波段還在向短波段S波段(1460-1530nm)及長波段L波段(1565-1625nm)擴展,拉曼放大技術在SCL三個波段均能使用。全波光纖的技術突破, 使1385nm波長的水峰損耗消失,遂令第五波段(1360nm-1530nm天塹變通途”, 使單模光纖的有效使用波段擴展為從1280nm-1625nm的石英光纖低損耗區的全部波段。可以想見, 在一根光纖上同時傳送千萬路電話已不再是人類的夢想的了。

    與傳統的傳感技術相比,光纖傳感器的優勢是本身的物性特性而不是功能特性。光波在光纖中傳播時,表征光波的特征參量:振幅、相位、偏振態、波長等,因外界因素,如溫度、壓力、位移、電場、磁場、轉動等的作用而直接或間接地發生變化,因而可將光纖用作敏感組件來探測各種物理量,此即光纖傳感器的基本原理。而光纖本身又是光波的傳輸媒質,這種“傳”、“感”合一的特征所帶來的優勢,堪稱無可匹敵。基于瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射原理的OTDR, BOTDRROTDR一類的分布式光纖傳感器以及基于雙光束干涉的光纖傳感干涉儀,如馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder干涉儀、邁克爾孫(Michelson)干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等, 其光纖傳感臂上的每一點既是敏感點又是傳輸介質。即使對于基于多光束干涉的準分布式光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot)傳感器, 以及近年來發展最為迅速的光纖光柵傳感器而言, 前者的工作原理是通過兩個光纖端面作為反射面之間的距離變化來測量被測量的變化, 后者則是利用光纖材料的光敏性,即外界入射光子和光纖纖芯內鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化,從而在光纖纖芯內形成空間相位光柵所構成, 因此光纖光柵是在光纖纖芯中形成。兩者均是光纖本身的一個集成部份。與光纖的可熔接形成低插入損耗的聯接,此類光纖傳感器的在線(in line)特征,使其與光纖傳輸有天然的兼容性,可以替代傳統的分立和薄膜型光無源器件,從而為全光通信系統和光纖傳感網絡提供巨大的設計靈活性。

    以互聯網為代表的計算機網絡技術是二十世紀計算機科學的一項偉大成果,它給人們的生活帶來了深刻的變化,然而在目前,網絡功能再強大,網絡世界再豐富,也終究是虛擬的,它與人們所生活的現實世界還是相隔的,在網絡世界中,很難感知現實世界,很多事情還是不可能的,時代呼喚著新的網絡技術。光纖的這種神奇的、在線的傳感、傳輸特性以及與以光纖為高速信道的互聯網的結合,正迎合時代的需求,可以構成全新的物感網技術,光纖傳感網絡, 就是把光纖傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種重大工程設施中, 通過光纜連接, 形成所謂“光纖傳感網絡”,然后將此與現有的互聯網整合起來, 構成“光纖物感網” 即“光纖(有線)物聯網”。它與無線物聯網組合在一起,實現人類社會與物理系統的整合“物聯網”(the Internet of Things)。在這個整合的網絡當中, 存在功能強大的中心計算機群, 采集和存儲著物理的與虛擬的海量信息,通過分析處理與決策,完成從信息到知識、再到控制指揮的智能演化,進而實現整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施,實施實時的管理和控制。在此基礎上, 人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活, 達到智慧狀態, 從而提高資源利用率和生產力水平, 改善人與自然間的關系。在這“智慧地球”的建設過程中,這種三纖合一的、新的光纖傳感網絡將為之作出革命性的貢獻,從而使光纖技術的發展再一次邁向新的高峰。

 

    高錕先生曾接受過香港“文匯報”的采訪,在回答記者的問題:“現在您經常談及新時代中新生活的新工具,您預計在多長的時間內,光纖會被另一種新工具取代?”時,向來不以高姿態說話的高錕,充滿自信地回答說:“我相信一千年內不會”。這決不是嘩眾取寵的說辭,而是一個精辟的科學論斷。我們知道,一個通信線路最主要的兩個性能是其損耗及帶寬。光纖的低損耗,加上光纖放大器和波分復用等技術的進一步發展,將使光纖通信線路的這兩項性能的優勢發揮到極致。即使未來常溫超導材料的出現,也無法撼動光纖的地位,因為電的頻率比光的頻率小好幾個數量級,任何電傳輸介質的通信容量根本無法比肩于光傳輸介質。更有甚者,與傳統的導電材料銅不同,銅是不可再生資源,再過幾十年,地球上銅礦必將開采殆盡。自從西門子公司開發出第一根銅質通信電纜至今,已逾一百年。再也沒有另外一百年的銅資源可資利用了。而光纖的材料;二氧化硅及其摻雜材料均是地球上取之不盡,用之不竭的物質,是大自然恩賜于人類的無窮的財富。光纖的價格之低廉也是任何其他傳輸媒質無法比擬的。每公里G.652光纖價格已從初期的上千元下降到目前的七十多元人民幣,光纖的材料價格在光纖生產成本中所占比例很低,光纖生產成本主要由原材料提純、生產設備折舊和工藝成本所決定、因此,隨著光纖制造工藝水平的進一步發展和提高,生產規模不斷地擴展,光纖價格還有相當的下降空間。高錕先生“一千年內光纖不會被取代”的精辟論斷向我們指出,光纖產業在一個相當長的時期內是一個朝陽產業,它將“獨領風騷一千年”。

 

    高錕先生開創的光纖時代發展之迅速,涉及領域之廣泛,對人類社會生活影響之深遠,實在是無人能預料。今天,應用最廣泛的G.652光纖,其結構(階躍射率剖面,匹配型包層)之簡單,其傳輸性能之優越,價格之低廉已無有能望其項背者。G.657光纖的出現,也將原先人們對光纖“脆弱易折”的觀感一掃而空。光纖到戶(FTTH)正在走進千家萬戶。我國光纖光纜技術和產業歷經三十多年的成長和發展,已經步入世界光纖制造大國,以前,光纖制造中最關鍵的制棒技術被美國和日本所壟斷,近年來,鑒于我國光纖技術的不斷發展與突破,促使日本各大光纖制棒龍頭紛紛與國內光纖廠商合資光棒產業,這將大大加速我國光纖制造事業的發展。我們務必順應其勢,加大研發投入、持續技術創新,努力使我國早日成為光纖制造、光纖通信和光纖傳感技術和產業發展的強國,讓高錕先生開拓的光纖事業在其祖國不斷發展壯大,為人類作出更大貢獻。

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