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高锟:“用光代替电流”

2009-07-12

百科知识 2009年22期
关键词:诺贝尔物理学奖分贝光缆

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

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