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高锟---一位以“光纤通信”创造历史的科学家
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    瑞典皇家科学院2009106日宣布,将2009年诺贝尔物理学奖授予包括英国华裔科学家高锟在内的3位科学家。 高锟先生,1933年生于中国上海,1957年和1965年分别取得英国伦敦大学电机工程学士博士学位,曾任香港中文大学校长。高锟为光纤通讯、电机工程专家,世称“光纤之父”。

    信息传输自古至今都是人们生活不可缺少的一部分,从古代社会的烽火台到邮驿,再到19世纪人们发明了电报、电话等通过电子媒介进行信息传输。随着人们对信息需求的不断提高,人们越来越迫切需要寻找到一种高速、便捷、传输距离长同时还要兼具制造成本低廉的信息传输媒介。1935年在美国纽约和费城之间敷设了第一根用于长途通信的同轴电缆。在上世纪50~60年代期间,为了进一步探索未来大容量通信的传输线路,业界曾致力于毫米波H01 型模的金属园波导管及超导同轴电缆的探索与开发,但均未获得突破。

    1966年,在英国ITT Standard Telecommunications Laboratories工作期间,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长途及高信息量光通信所需介质纤维的结构和材料特性。当时, 主流学者的共识是;玻璃中光损耗太高,光纤虽然可用在短短的胃镜导管上,但用于长距离通信根本不可能。高锟先生却不信其邪。他对通信系统详细分析后指出;当光损耗下降到20dB/km, 玻璃纤维就有实用价值。他通过对光在玻璃纤维中吸收、散射和弯曲损耗机理的深入分析后得出结论:只要解决好玻璃纯度和成分等问题,用熔石英制作的光学纤维可以成为实用的光通信传输媒质。这一设想提出之后,有人称之为匪夷所思,也有人对此大加褒扬。但在争论中,高锟的原创性工作在全世界掀起了一场光纤通信的革命。

 

       高锟的这篇具有历史意义的论文于1966年发表后。当时人们还无法制造出可以达到高锟要求的那种“超纯净玻璃”。所以高锟提出利用高纯度的玻璃——光纤来传送讯息时,人们认为这简直是天方夜谭。试想如果当年他因此而放弃的话,便没有今日的光纤技术,更没有能给我们的生活带来如此巨大变化的互联网了。科学的价值,往往就在于揭示出某种技术的极限,如果这种极限是可以实现的,那就意味着为新技术开启了一扇通向成功的大门。

    在高锟原创性理论的推动下,4年后,美国康宁公司的工程天才Robert D. Maurer1970年设计和制成世界上第一根低损耗石英光纤(损耗为20dB/Km,波长为0.63mm)。他采用的方法,是在一根芯棒上气相沉积石英玻璃,随后抽去芯棒,将玻璃管烧缩成光棒后拉成光纤。气相沉积时通过改变玻璃组分,形成高折射率的纤芯和低折射率的包层的光纤波导结构,此光纤波导结构被一直沿用至今。

    1974年美国贝尔实验室的John MacChesney 开发出MCVD(改良的化学气相沉积)工艺, 成为世界上第一个商用制棒技术, 速被世界各国采用, 及时地推动了光纤通信的实用化。

鉴于高锟、Robert D. MaurerJohn MacChesney在光纤技术的奠基性工作和巨大成就,1999年他们三人成为工程界最高奖项的NAE Charles Stark Draper奖的共同得主。

    他们的得奖词正确地反映了他们对光纤技术发展的历史性贡献,摘录如下:

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

    在高锟原创性理论的推动下,光纤波导传输理论在上世纪七十年代也得到长足的发展,从而为光纤技术的发展和实用化奠定了理论基础。光纤波导理论源起于上世纪二十年代初Debye(1921)的介质波导理论,但由于光在光纤中的损耗机理、光纤波导的弱导性、微小的光纤截面尺寸以及其它传输特性均与微波介质波导不相同,故光纤波导理论是一门独立的理论。一大批学者为此作出了原创性的贡献, 有关文献浩如烟海。这里仅撷数例, 以窥一斑:如Snyder, A.W. (1969) Gloge,D.(1971) 基于光纤波导的弱导性, 即(n1-n2« n1 (n1n2分别为光纤纤芯和包层的折射率), 将经典的模式(两重和四重)简并为线性偏振 (LP) , 从而大大简化了光纤波导的理论分析; Keck,D.B., Olshansky ,R. Petermann, K.等学者对光在光纤中各种损耗机理的理论研究为低损耗光纤制造提供了理论依据; Jeunhomme,L., Marcuse,D. Gambling W.A. 等学者对光纤波导的色散性能的研究则为G.655, G.656等色散位移光纤的开发奠定了理论基础。

    光纤制造技术也在上世纪七十年代得到长足的发展,继美国贝尔实验室的MCVD制棒技术后, 美国康宁公司的OVD(管外气相沉积)、日本NTT公司的VAD(轴向气相沉积)以及荷兰菲利浦公司的PCVD(等离子化学气相沉积)制棒技术相继开发成功。光纤损耗在1979年已降低到0.2dB/Km(波长为1550nm),这已接近由瑞利散射损耗所决定的极限值了。现在,高效率的单模光纤的制棒技术均采用PCVD/OVD,OVD/OVD,VAD/OVD,VAD/套管等复合的纤芯/包层光棒工艺。而MCVD工艺主要用于多模光纤、保偏光纤、光敏(传感)光纤和其它特种光纤的制作。

    在华盛顿和波士顿之间的世界上第一条商用光纤通信系统于1981年建成。短短几十年间,光纤网络已遍布全球,至今已在全球敷设了数亿公里的光纤,成为互联网、全球信息通信的基础。光纤的发明不但解决了信息长距离传输的问题,而且极大地提高了效率并降低了成本。今天,二氧化硅光纤已成为通信系统的基石,就如同硅集成电路是计算机的基石一样。

    因高锟的理论而催生的产业庞大得无法估计;从光纤光缆的制造,到光纤网络通信系统;从通信网、电视网到互联网;从打网络游戏到看高清电视,光纤已成为整个人类信息社会的基础。诺贝尔奖评委会是如此描述神奇的光纤:“光波流动在纤细的光纤中,它携带着各种信息数据传递向每一个方向,文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球。”

    这次高锟先生以“光通信领域涉及光纤传输的突破性成就” 荣获诺贝尔物理学奖。众所周知,诺贝尔奖向来只颁给基础科学,而非应用科学。而高锟凭借应用科学成果,且是43年前的成果获奖,其中固然有诺贝尔奖自身谋求改革的原因,恐怕更重要的则是光纤支撑起的通信产业,已经在人类社会中扮演起极其重要、不可替代的角色。正是在这样的背景下,高锟先生43年前的智慧,在今天看来依然熠熠生辉。

 

光纤的发明改变了我们的生活,带动了整个通信业的大发展,光纤通信发展至今已有几十年的时间。高锟先生以其在光纤通信领域开创性的成就,终于获得了2009年诺贝尔物理学奖殊荣,这奖项完全是名至实归,是对高锟先生杰出贡献的最高奖。然而,这个奖来的太迟了。高锟先生在获得如此巨大荣誉之际,却不幸身陷疾病之痛。回忆起高锟先生长期来对笔者的提携和帮助,令人不胜唏嘘。

    1979年当笔者获得第一批公派赴美访问学者的资格时,远在英国的高锟先生的父亲,高君湘老先生得知在亲属中竟然也有从事光纤行业的人,十分欣慰,来信建议笔者去高锟所在的ITT,EOPD (ITT电光产品部)Roanoke,Virginia 做研究工作。但因ITT,EOPD从事光纤的军事应用研究,无法成行。赴美后,笔者应邀去ITT,EOPD参访。从此开始了与高锟先生的交往。1981年,笔者结束了在美国Delaware州立大学的研究项目后, 高锟先生举荐笔者去纽约的SIT(史蒂芬森理工学院) 参加一个由ITT,EOPD资助的“光纤模式复用”研究项目。后因上海交大张煦老师来信,推荐笔者去了GTE Laboratories做研究项目,SIT未能成行。

    高锟先生对我国光纤事业十分关心。1996年他以香港生产力促进会名义向我国家科委提出了发展我国光纤事业的建议书。同时,高锟先生不顾年事已高,还身体力行;1996年退任香港中文大学校长职务后,创立高科技公司“高科桥”,其宗旨是作为高科技公司的桥梁,他初时以顾问工作为主,为世界各地科技公司提供专业意见,包括国内的光纤制造公司。进而以香港为基地,合资开设一家光纤制造公司。其初衷并不在于谋求商业利益,而是为了取得光纤预制棒的实际制作经验,令香港成为科技转移中心,来助推内地的光纤制造事业的发展。这充分反映了他关心祖国发展的赤子之心。

 

    光纤技术正在向两个方向发展;第一波是光纤通信技术,第二波则是随之而来的光纤传感技术。光纤通信技术历经30余年的发展,日臻成熟;光纤传感技术则是方兴未艾。后者也正在借助光纤通信技术的成果处于迅速发展中。

    光纤通信技术的发展令人目不瑕接,笔者也感同身受。上世纪八十年代初,欧美、日本等国兴起光纤相干通信技术的研发热潮,旨在扩展光纤通信系统的距离和带宽。 笔者也有幸恭逢其盛,1981-1982年间,在美国GTE Laboratories做光纤相干通信研究项目, 项目名称为Binary ASK, FSK, PSK Coherent Transmission and Heterodyne Detection for Optical Fiber Broad- band Communications” 相干系统与IM-DD系统相比有两大优点: 一)是它有更高的接收灵敏度, 这是因为相干系统只受限于被接收信号的光的量子噪声, 在外差相干系统中采用二进制PSK调制, 达到10-9误码率,每比特只要有18个光子; IM-DD系统中接收机灵敏度受限于APD倍增噪声和负载电阻的热噪声,达到10-9误码率,每比特光子数要有几百, 甚至几千个。(二)是相干系统可增加接收机的选择性。工作在FDM方式时, 可利用置于外差后的微波滤波器用电的方式进行通道选择, 这就允许在频域中更密集安排通道, 旨在开发光纤的巨大带宽潜力。进入90年代后,由于光纤放大器及光纤波分复用技术的迅速发展,相干系统的优点黯然失色,光相干系统的开发只能期待新的技术突破,否则难以与光纤放大器及光纤波分复用技术相匹敌。波分复用技术的迅速发展,也使G.653光纤迅速被G.655G.656光纤所取代。目前, 单一波长的传输容量已从2.5Gbit/s, 10 Gbit/s , 发展到40 Gbit/s, 2006年起,已开始120 Gbit/s的研究,这类超大速率的传输系统的技术瓶颈在于研究解决色散补偿和偏振的时变效应(如一阶和二阶PMDPDL等)。DWDM的波长间隔已从1.6nm, 0.8nm, 减小到0.4nm(50GHz), 0.2nm(25GHz), 未来甚至还可能到0.1nm12.5GHz)。在C波段(1530-1565nm), 采用10 Gbit/s速率及25GHz的波长间隔, 已可实现1.6Tbit/s (160路光通道´10 Gbit/s)容量的商用长途通信线路。通信波段还在向短波段S波段(1460-1530nm)及长波段L波段(1565-1625nm)扩展,拉曼放大技术在SCL三个波段均能使用。全波光纤的技术突破, 使1385nm波长的水峰损耗消失,遂令第五波段(1360nm-1530nm天堑变通途”, 使单模光纤的有效使用波段扩展为从1280nm-1625nm的石英光纤低损耗区的全部波段。可以想见, 在一根光纤上同时传送千万路电话已不再是人类的梦想的了。

    与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性。光波在光纤中传播时,表征光波的特征参量:振幅、相位、偏振态、波长等,因外界因素,如温度、压力、位移、电场、磁场、转动等的作用而直接或间接地发生变化,因而可将光纤用作敏感组件来探测各种物理量,此即光纤传感器的基本原理。而光纤本身又是光波的传输媒质,这种“传”、“感”合一的特征所带来的优势,堪称无可匹敌。基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射原理的OTDR, BOTDRROTDR一类的分布式光纤传感器以及基于双光束干涉的光纤传感干涉仪,如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder干涉仪、迈克尔孙(Michelson)干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪等, 其光纤传感臂上的每一点既是敏感点又是传输介质。即使对于基于多光束干涉的准分布式光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)传感器, 以及近年来发展最为迅速的光纤光栅传感器而言, 前者的工作原理是通过两个光纤端面作为反射面之间的距离变化来测量被测量的变化, 后者则是利用光纤材料的光敏性,即外界入射光子和光纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化,从而在光纤纤芯内形成空间相位光栅所构成, 因此光纤光栅是在光纤纤芯中形成。两者均是光纤本身的一个集成部份。与光纤的可熔接形成低插入损耗的联接,此类光纤传感器的在线(in line)特征,使其与光纤传输有天然的兼容性,可以替代传统的分立和薄膜型光无源器件,从而为全光通信系统和光纤传感网络提供巨大的设计灵活性。

    以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果,它给人们的生活带来了深刻的变化,然而在目前,网络功能再强大,网络世界再丰富,也终究是虚拟的,它与人们所生活的现实世界还是相隔的,在网络世界中,很难感知现实世界,很多事情还是不可能的,时代呼唤着新的网络技术。光纤的这种神奇的、在线的传感、传输特性以及与以光纤为高速信道的互联网的结合,正迎合时代的需求,可以构成全新的物感网技术,光纤传感网络, 就是把光纤传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种重大工程设施中, 通过光缆连接, 形成所谓“光纤传感网络”,然后将此与现有的互联网整合起来, 构成“光纤物感网” 即“光纤(有线)物联网”。它与无线物联网组合在一起,实现人类社会与物理系统的整合“物联网”(the Internet of Things)。在这个整合的网络当中, 存在功能强大的中心计算机群, 采集和存储着物理的与虚拟的海量信息,通过分析处理与决策,完成从信息到知识、再到控制指挥的智能演化,进而实现整合网络内的人员、机器、设备和基础设施,实施实时的管理和控制。在此基础上, 人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活, 达到智慧状态, 从而提高资源利用率和生产力水平, 改善人与自然间的关系。在这“智慧地球”的建设过程中,这种三纤合一的、新的光纤传感网络将为之作出革命性的贡献,从而使光纤技术的发展再一次迈向新的高峰。

 

    高锟先生曾接受过香港“文汇报”的采访,在回答记者的问题:“现在您经常谈及新时代中新生活的新工具,您预计在多长的时间内,光纤会被另一种新工具取代?”时,向来不以高姿态说话的高锟,充满自信地回答说:“我相信一千年内不会”。这决不是哗众取宠的说辞,而是一个精辟的科学论断。我们知道,一个通信线路最主要的两个性能是其损耗及带宽。光纤的低损耗,加上光纤放大器和波分复用等技术的进一步发展,将使光纤通信线路的这两项性能的优势发挥到极致。即使未来常温超导材料的出现,也无法撼动光纤的地位,因为电的频率比光的频率小好几个数量级,任何电传输介质的通信容量根本无法比肩于光传输介质。更有甚者,与传统的导电材料铜不同,铜是不可再生资源,再过几十年,地球上铜矿必将开采殆尽。自从西门子公司开发出第一根铜质通信电缆至今,已逾一百年。再也没有另外一百年的铜资源可资利用了。而光纤的材料;二氧化硅及其掺杂材料均是地球上取之不尽,用之不竭的物质,是大自然恩赐于人类的无穷的财富。光纤的价格之低廉也是任何其他传输媒质无法比拟的。每公里G.652光纤价格已从初期的上千元下降到目前的七十多元人民币,光纤的材料价格在光纤生产成本中所占比例很低,光纤生产成本主要由原材料提纯、生产设备折旧和工艺成本所决定、因此,随着光纤制造工艺水平的进一步发展和提高,生产规模不断地扩展,光纤价格还有相当的下降空间。高锟先生“一千年内光纤不会被取代”的精辟论断向我们指出,光纤产业在一个相当长的时期内是一个朝阳产业,它将“独领风骚一千年”。

 

    高锟先生开创的光纤时代发展之迅速,涉及领域之广泛,对人类社会生活影响之深远,实在是无人能预料。今天,应用最广泛的G.652光纤,其结构(阶跃射率剖面,匹配型包层)之简单,其传输性能之优越,价格之低廉已无有能望其项背者。G.657光纤的出现,也将原先人们对光纤“脆弱易折”的观感一扫而空。光纤到户(FTTH)正在走进千家万户。我国光纤光缆技术和产业历经三十多年的成长和发展,已经步入世界光纤制造大国,以前,光纤制造中最关键的制棒技术被美国和日本所垄断,近年来,鉴于我国光纤技术的不断发展与突破,促使日本各大光纤制棒龙头纷纷与国内光纤厂商合资光棒产业,这将大大加速我国光纤制造事业的发展。我们务必顺应其势,加大研发投入、持续技术创新,努力使我国早日成为光纤制造、光纤通信和光纤传感技术和产业发展的强国,让高锟先生开拓的光纤事业在其祖国不断发展壮大,为人类作出更大贡献。

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