高锟:“用光代替电流”

云 帆

让我们结识一位以自己的发明改变了人类生活的华裔科学家。他叫高锟，1933年出生于中国上海，今年76岁了。他于1957年毕业于英国伍尔维奇理工学院，随后到英国标准电话电缆公司工作。

1964年，光纤通信新设想

1964年8月，31岁的高锟在英国科学进展协会发表演讲，提出一个让所有听众兴奋的想法：在未来的电话网中，我们完全可以用光代替电流，用玻璃纤维代替导线，实现新一代通信技术——光纤通信。

在那时，光纤通信的理想，无异于痴人说梦、异想天开。为什么?玻璃纤维的透明度太低，怎么可能传送光信号?假设作这样一个实验：有一根1千米长的光纤，从它的一端输入光信号，在另外一端测量输出的光信号。在1960年代中期，这样的实验会有什么结果呢?这个输出信号简直是“微乎其微”的“天文小数”输入信号与输出信号之比，等于10的100次方!用科学家的术语表示就是：玻璃纤维的损耗为1000分贝／千米。

“用玻璃纤维代替导线”的设想诞生以后，高锟就面临一个巨大的课题：如何降低玻璃纤维对光信号的损耗?他一直在思考这样的问题：玻璃纤维的损耗究竟是由什么因素造成的?怎样能消除这些引起损耗的因素?

经过大量的实验，高锟发现，玻璃纤维的损耗太大，主要是因为石英玻璃含有铁、铜、镍、镉、钴等杂质离子对光的吸收。此外，石英玻璃结构上存在缺陷，也会吸收光或散射光。解决玻璃纤维损耗问题的头绪清晰了，高锟和他的同事在1965年的圣诞节前完成了他们的论文。

1966年，高锟等的论文《介质纤维表面光频波导》发表了。在论文中，高锟预言，用石英玻璃纤维进行长距离信息传输，将带来一场通信技术的革命。他满怀信心地指出，当玻璃纤维的损耗下降到20分贝／千米之日，就是光纤通信成功之时。

1970年代，光纤损耗逐年降

高锟深知，这个“降低玻璃纤维损耗”的任务非常严峻，要成功，必定要动用庞大的人力和物力。因此，论文发表以后，为了推动低损耗玻璃纤维研究和光通信的发展，高锟随即前往美国、日本、联邦德国进行学术交流。1966年，他到美国一家通信巨头的著名实验室推广自己的主张，但是没有获得共鸣。

可喜的是，高锟在通信界以外的玻璃生产商康宁玻璃公司找到了知音。康宁公司赞赏高锟的理论。后来，这家公司的罗伯特·莫勒研究小组，借助半导体工业的气相沉淀技术，提高了石英玻璃的纯度。1970年，莫勒小组研制的光纤，损耗下降到20分贝／千米(光波长为1.55微米)。在他们进行的实验中，信号通过25千米长的光纤传送到远处的接收设备。高锟在1966年提出的日标，被康宁公司实现了。为了这个目标，高锟和有志于光纤通信的人士，整整奋斗了4年。

1970年代的10年，是光纤损耗不断下降的1O年。1974年，光纤损耗下降到2分贝／千米(光波K为1.55微米)。1976年，光纤损耗下降到1分贝／千米(光波长为1.55微米)。到1970年代末，光纤损耗下降到0.2分贝／千米(光波长为1.55微米)。这个数据有什么意义呢?我们把理论极限值说出来，你就明白了：光波长为1.55微米时，光纤损耗的理论极限是0.11分贝／千米。

可以说，1970年代，是走向光纤通信的关键的10年。高锟为实现光纤通信的理想而不懈奋斗的精神令人赞佩；那些为研制低损耗光纤作出巨人贡献的人们，也将被历史所记忆，他们是美国科学家卡普朗、凯克、莫勒。

1980年代，光缆干线通千里

到1970年代，光纤损耗降下来了，半导体激光器的寿命提上来了，构成光纤通信系统的主要元器件比较成熟了。光纤通信已是“水到渠成”。1976年，在美国佐治亚州首府亚特兰大，光纤通信实验获得成功。

1977年，第一个实用光纤通信系统开始工作。人们利用光纤将把美国空军的风洞试验设备与1.6千米以外的计算机连接起来。

1979年，光纤通信进入商业应用。在欧洲，法国的光缆电视开始运营；联邦德国的光缆通信线路(长度为15.4千米)投入使用。

1983年，在美国，从纽约到华盛顿的600千米光缆通信线路开始运营。1984年，美国长达1250千米的光通信“东北走廊干线”开通。

1985年，日本建成从北海道至九州的光缆干线，全长2200千米。

就在1985年，人们开始将光缆铺设到海洋里。

1988年，海底光缆越大洋

在谈论海底光缆之前，先说说海底电话电缆。1956年，第一条穿越大西洋的海底电话电缆TAT－1正式启用，它把加拿大与英国联系起来。

TAT-1直径1.6厘米，每隔70.5千米设有一个增音器：可以允许36路电话同时通话。TAT-1在水下默默工作了22年，于1978年宣布报废。

1988年，全长6630千米，连接美国和英国、法国的大西洋海底光缆TAT-8建成并投入运营。

TAT-8直径2.1厘米，结构能适应海洋工作环境；每隔50千米设一增音器，总共有125个增音器，在25年的寿命期间损坏的增音器不得超过3个。能同时传送38000路电话，这一容量等于国际通信卫星-V的3倍多，是第一条穿越大西洋的海底电话电缆TA-1容量(36路电话)的1000倍：设计寿命为25年。

2009年，高锟终于获诺奖

“光纤”的发明者高锟，早就被人们誉为“光纤之父”。他先后获得巴伦坦奖章、利布曼奖、光电子学奖金等重大奖项。但是，几十年过去了，他未能获得诺贝尔奖。

这让人想到集成电路的发明者基尔比。他也早就被人们称作“集成电路之父”。基尔比曾先后获得巴伦坦奖章、美国科学奖章、美国技术奖章等许多重大奖项。直到2000年前，40年过去了，他未能获得诺贝尔奖。

但是，在今日世界又有谁能不承认，在最近的几十年里，集成电路和光纤使人类的生活发生了根本的改变?

诺贝尔奖终于垂青伟大的应用性发明，开始重视伟大的技术发明。9年前，它决定让基尔比与阿尔费罗夫和克勒莫分享2000年诺贝尔物理学奖；今年，它让高锟与威拉德·博伊和乔治·史密斯分享2009年诺贝尔物理学奖。

2009年1O月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊和乔治·史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中传输实现光学通信方面”取得了突破性的成就。他获得了2009年诺贝尔物理学奖一半的奖金，即大约71.8万美元。威拉德·博伊和乔治·史密斯因发明半导体成像器件——电荷耦合器件(CCD)图像传感器，分享2009年诺贝尔物理学奖另外一半的奖金。

“光流动在细小如线的玻璃丝中，携带着各种信息数据传向四面八方，文本、音乐、图片和视频节目在瞬间传遍全球”。这散文般的语言实际是在歌颂高锟43年前的理想——“用光代替电流，用玻璃纤维代替导线”。(文章代码：2203)

【责任编辑】蒲辉