“寬帶之父”:比髮絲還細的纖維,牽動著世界神經

2022年04月14日12:01

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  2006年12月26日,中國台灣南部海域發生了7.2級的地震,雖然沒有造成人員傷亡和建築物損失,但破壞卻十分嚴重。地震造成13條國際海底光纜受損,中國至歐洲大陸部分語音通信和數據專線中斷,更為嚴重的是,互聯網大面積擁堵、癱瘓,中國、日本、韓國、新加坡成為重災區。

  這件事告訴我們,現今人類已經離不開信息,而信息離不開海底光纜。在不聲不響中,這些比頭髮絲還細的石英玻璃光導纖維影響著億萬人的生活,它們的暢通牽動著全世界人的神經!

  提到光纜,不能不提起一位華裔科學家,他就是高錕。

  高錕

  1933年高錕出生於上海,童年時候的他迷上了化學,他家的三樓就是他的實驗室。他自製的東西五花八門,有滅火筒、煙花、爆竹、曬相紙,甚至試做過炸藥。他用紅磷粉混合氯酸鉀,與泥拌和搓成彈丸,他把風乾後的彈丸扔下三樓,結果爆炸了,幸好沒有傷著人。後來,他又迷上了無線電,自己組裝了六七個真空管的收音機。這些經曆,一點點地開啟了高錕科學智慧的潛能。

  考入香港大學以後,由於當時的香港大學沒有他想要學的電機工程專業,只好轉到了倫敦大學。1963年,在倫敦大學博士研究生還沒有畢業時,高錕就加入英國哈囉電信標準實驗室工作。他先後輾轉在4個部門裡工作,從理論到實踐積累了豐富的經驗,後來被指定為電子光學研究組的負責人。

  高錕在實驗室(60年代)

  1964年12月是高錕進入成功道路的關鍵時刻,他接管了這個實驗室的光學通信項目。多年來,這個研究組的前任領導一直熱衷於薄膜波導通信,但高錕卻獨具慧眼。自從激光問世之後,這種能長距離傳輸的特殊光就引起了他的注意,他意識到利用激光進行光纖通信更具有發展前景,於是放棄了已經進行了多年的項目,毅然開啟光纖通信研究。此舉意味著另起爐灶,一切從頭做起,不僅要從理論上論證光導纖維通信的可能性,還要因為激光在空氣中傳輸信號的波動極大,先解決傳輸激光信號的介質難題。

  1965年,在獲得倫敦大學電機工程專業博士學位後,高錕立刻全身心地投入到這項研究中。

  1966年1月,他向英國電氣工程師學會(IEE)遞交申請報告,提出了他的大膽設想,並從理論上探討了光導纖維實現現代通信的可能性及發展前景。

  1966年7月7日高錕與英國電氣工程師喬治·哈可汗(George Hockham)以“光頻率的介質纖維表面波導”為題,聯名寫出論文,投寄到英國《電氣工程師學會進展》雜誌上。這篇論文首次從理論上論證了利用玻璃纖維實現光通信的可能性,併成為當今光纖通信的理論基礎。

  雖然高錕和他的同事哈可汗很早就光纖通信項目開始實驗研究,然而他們的這項研究並不被看好,幾年中,有不少同行陸續從這個領域退出去。

  正如這些人所料,高錕也遭遇到了基礎性的困難——玻璃纖維傳輸信號的損耗問題。要實現光纖通信,光纖所傳播的信號衰減值是有極限要求的,即每千米衰減不得超過20分貝。但在當時,製造玻璃纖維的工藝要求十分嚴格,他們辛辛苦苦研發出來的玻璃纖維衰減值竟然高達每千米1000分貝,有時甚至更高。這意味著,要麼接著找,但情況並不樂觀,要麼像大多數同行那樣,轉身放棄。

  由於認識到這項研究對於通信技術發展的長遠意義和商用價值,高錕選擇了堅持,他率領研究組展開了尋找材料的攻堅戰。他們實驗了各種各樣的玻璃和其他介質材料,對各種不同材料做不同波長段的精確測量。高錕產生了試一試提純石英玻璃的想法,因為玻璃材料中的雜質有可能是產生光信號衰減的決定性因素,他認為只要設法減少玻璃中的雜質,衰減自然就會消除。

  為了尋找新材料,研發新的器配件,高錕又率領研究組造訪了民用和軍用的有關單位,訪問了美國和日本,參觀了許多玻璃和聚合物工廠、研究所,會見各相關領域的工程師、技術人員、科學家和商人,就改進玻璃纖維製作工藝進行切磋。

  高錕

  1969年,他們終於研發成功一種超級透明石英玻璃纖維,經測量,這種材料每千米信號衰減為4分貝,在民用與軍用上都具有極高的應用前景。

  在這項研究過程中,高錕共發表論文一百多篇,獲得了三十多項專利,既解決了光導纖維芯材料,也解決了光纖的支援外殼材料,同時還研究了對應於高頻傳輸的“太比特”——度量信息的單位技術,正因如此,高錕又被稱為“太比特技術之父”“寬帶之父”。

  現在,加萬的氦氖激光器與高錕的光纖通信,這兩項發明已經成為現代通信技術的兩大里程碑事件。高錕的設想也逐步變為現實,利用石英玻璃製成的光纖應用越來越廣,它們在全世界迅速掀起了一場光纖通信革命。

  特別是1977年,貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時宣佈研製成功壽命達到100萬小時的半導體激光器,更為光纖通信的迅猛發展注入了活力。

  1977年,世界上第一條光纖通信系統在美國芝加哥投入商用,速率達到每秒4.5億比特。

  到了2012年,日本電報電話公司宣佈單芯光纜已經能達到每秒1000萬億比特 ,在不使用中繼器情況下,傳輸距離達到50千米。現代的光纜還可以把上千根光纖組合在一條光纜中,具有強大的帶寬潛力,既可以傳輸模擬信號和數字信號,又可以傳輸視頻信號。

  上圖所示為多芯的通信電纜,目前已經達到144芯!僅一束光纜中的一條單根光纖,傳輸速度就可以達到每秒幾千兆比特(Gb/s)的信號。隨著互聯網應用的爆發性增長,世界各國都在競相發展超高速、超大容量、超長距離的光纖信息傳輸技術。信息技術的發展促進了各個科技領域的發展,而科技的迅速發展,又正反饋地使通信技術騰飛起來。所有這一切,都發端於20世紀六七十年代的高錕研究組的工作。

  2003年,高錕罹患阿爾茨海默症,大腦萎縮使這位頂尖科學家變得像小孩子那樣單純。昔日的光纖通信之父已經不記得什麼是“光纖”了,但是科學並沒有忘記他。迅猛發展的光纖通信處處留有高錕的印記。

  高錕領取諾獎時的情景

  在2009年的諾貝爾物理學獎頒獎儀式上,高錕獲得特許,不必走到台上,免去了三鞠躬的禮儀,瑞典國王卡爾六世破例走下台來到高錕的面前,將諾貝爾獎的獎牌和證書親自頒發到高錕的手中。

  來源:《科學史上的365天》

  作者:魏鳳文 武軼

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