物理学基础研究演变为信息产业——高锟博士荣获2009年诺贝尔物理学奖

宋菲君

(大恒新纪元科技股份有限公司,北京 100085)

物理学基础研究演变为信息产业
——高锟博士荣获2009年诺贝尔物理学奖

宋菲君

(大恒新纪元科技股份有限公司,北京 100085)

本文介绍2009年诺贝尔物理学奖得主高锟的成就,这是诺贝尔物理奖第9次奖励最终形成产业的基础研究.本文介绍了光通信技术的最新进展,论述了物理学的基础研究如何最终演变成巨大的信息产业并造福人类社会,并指出基础研究和产业化间“源”和“流”的关系.

光纤;光纤通信;掺铒光纤放大器;波分复用;信息产业

1 诺贝尔物理学奖和产业

2009年10月6日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟(Charles K.Kao,图1),以及美国科学家 W.S.Boyle(波意耳)和 G.E.Smith(史密斯).瑞典皇家科学院说,高锟在“有关光在纤维中的传输应用于光学通信方面取得了突破性成就”,他将获得今年物理学奖一半的奖金;Boyle和Smith发明了半导体成像器件——电荷耦合器件(CCD)图像传感器,将分享今年诺贝尔物理学奖另一半奖金.诺贝尔物理奖奖励有巨大影响的原创性物理学研究,但这些物理学研究成果只有少数几项最终演变成为产业,见表1.

图1 英国华裔科学家高锟

表1 演变为产业的诺贝尔物理学奖

2 信息产业的提速和通信电缆的瓶颈,早期光通信的尝试

大家都知道,信息产业的巨大发展应归功于电线和电缆,它们起到了传输信息的功能.用于传输信息的电磁波称为“载波”,把需传输的音频或视频信号加载到载波上去的手续称为“调制”,载波频率通常要远高于调制信号频率.在频域中,载波本来是单一频率,调制过程使频带加宽.如图2所示.

图2 载波和调制波

例如,每一路电话、每一频道的电视节目都要占据一定的频带宽度.一路标准的电话所占据的频带宽度为4kHz,一路电视的带宽为6MHz.通信电缆能承载的电话或电视的数量,显然和载波的频率有关,由于电缆载波频率较低,通信频道的带宽有限.此外,金属通信电缆还容易腐蚀,敷设的费用高,到上世纪中叶,电通信已发展到了极限.在当时,由于日常生活、工业、商业和军事的迫切需求,信息产业已呈现高速发展的势头.信息产业涵盖了信息的产生、采集、处理、传输、接收、再处理的全过程,大容量信息的传输无疑是信息产业的关键环节,由于信息容量的猛增,通信电缆已经成为限制信息技术和信息产业进一步发展的瓶颈.

光波也是电磁波,只不过其频率远高于电子通信的载波.例如,目前最先进的“三次群”通信电缆的频率ν＜34MHz,而波长λ=1.0μm时光波的频率为ν=3×1014Hz,高出电信号7个数量级!科学家早就想到利用光波传输信息,并预言光通信的容量将远高于常规电缆通信.在无限扩展的各向同性空间中,光是直线传播的,曾有许多关于大气光通信的研究.但由于地球表面是球面,限制了光束直线传播的距离不超过数公里,加上障碍物和气候的影响,大气光通信没有前途.光能、光信息的长途输送是一个长期困扰科学家和工程师的难题.

早在1870年,物理学家J.丁铎尔就做过光线在一个抛物线状的水流中传播的实验,由于水的折射率高于空气,根据光学中的“全反射”效应,光线在水流中多次反射,并随着水流传播,可以说,丁铎尔的水流就是最原始的“光波导”.其后,模拟电磁波在电磁波导中传播的效应,物理学家开始研究光波在光波导中传播的效应.由于介质波导有限大小的约束,在光波导中只能传播分立的本征态,满足边界条件和周期条件,称为“模”.图3给出圆柱型波导中的低阶模.

图3 圆柱型介质波导(光纤)的低阶模的横截面强度分布

3 高锟对于光纤通信的开创性研究

高锟于1933年11月4日出生在上海的一个书香门第,父亲是国际法庭的律师,祖父是晚清著名诗人,革命家,“南社”的重要成员.1948年全家移居台湾,1949年又移民香港.他先考入香港大学,后来又远赴英国东伦敦伍尔维奇理工学院(现英国格林威治大学)就读.1957年,他从伍尔维奇理工学院电子工程专业毕业.1965年,在伦敦大学下属的伦敦帝国学院获得电机工程博士学位.

上世纪60年代中期,英国A.E.Karbowiak创建了标准电信实验室(STL),不久高琨加盟其中.正是在这一时期,高锟成为光纤通信领域的先驱.

高琨与 G.A.Hockham一起,提出用单模光纤进行远距离通信的大胆设想.1966年6月,他们在电子工程师协会(IEEE)期刊上发表文章[1],详细分析了光波在圆柱形波导——光纤中的传播,深入讨论了介质中与光波传播相关的物理效应和信息容量问题.

高锟的开创性研究工作包括以下方面:

(1)光损耗物理机制、光损耗阈值和期望值:高锟研究了硅玻璃光纤内的光散射和吸收效应,指出光损耗主要由杂质引起.为了确保长距离传输的信噪比,降低误码率,通信光纤损耗应低于20dB/km(当时光纤的损耗约1000dB/km).深入分析了散射和吸收的物理机制后,高琨坚信光损耗的极限应当远小于此数值.

(2)光纤通信模型:直径为3或4μm的“弱导引”单模光纤,包层折射率约比芯区低1%,包层直径大约为芯径的100倍.长距离传导模正是基模 HE11,光波沿芯区和包层的分界面传播(表面波).在包层内的隐失波的振幅沿径向衰减,并在充分大的包层内趋于零.

图4 光纤结构和信号传输示意图

(3)信息容量:数字信号的传输速率是在时域中的一个测量量,即每秒传送多少 kb或 Mb(b/s即 bit/s),描述带宽的单位通常为 kHz、MHz、GHz.带宽与数据传输速率的关系可用测不准关系表示.用Δ ν表示频谱宽度(在频域中的不确定性),用Δt表示信号脉冲的宽度,则有

亦即带宽和脉冲宽度成反比关系,而速率是脉冲宽度的倒数,从而带宽和传输速率成正比.

(4)模的稳定性:光纤材料的不均匀、缺陷显然会引起“跳模”,造成误码.高锟强调,在传导过程中必须确保模的稳定性,因此提高材料的纯度和均匀性至关紧要.

(5)色散:脉冲是一个波包,各频谱成分以不同群速度传播引起的色散称群速色散,使脉冲展宽,造成误码.图5为具有高斯包络的脉冲信号串经过长距离传输后的色散.长距离传输必须对于色散进行补偿.由于基模 HE11的色散最小,高锟提出未来长距离光通信将使用单模光纤.

图5 高斯波包的色散

(6)带宽和承载功率的关系:每一信道必然对应于一定的输入功率.单模光纤的直径有限,功率密度不能过高,光纤承载的功率是有限的,“弱导引”有利于提高承载功率.综合考虑以上要素和量子噪声,高锟估计,对应于100mW的输入光功率,光纤的带宽应能达到1GHz.

总结一下,高锟的开创性研究,在于分析了光损耗的物理效应,给出阈值和期望值,探讨了介质纯度的影响,建立了现代通信光纤的物理模型,预言了光纤通信的超大信息容量.

1966年4月1日出版的Laser Focus介绍了高琨高瞻远瞩的设想:“短距离测量表明STL开发的实验性光波导具有承载及传递信息的能力.其容量可达到1000Mb(即1Gb),相当于200个电视频道或20多万条电话线.”

高锟和 Hockham关于光纤损耗可达到20dB/km的预言引起了世界各地科研人员的极大兴趣,同时也引起广泛质疑.大家开始尝试降低光纤损耗.

4年后,在1970年9月,康宁(Corning)玻璃工作室(现在的康宁公司)宣布,他们已制造出用于氦氖激光器633nm谱线的单模光纤,损耗低于20dB/km.康宁的突破打开了光纤通信的大门,是发展光纤进程中的另一个里程碑.同年,贝尔实验室和列宁格勒(今圣彼得堡)Ioffe技术物理研究所发展了第一支可在室温下发射连续光波的半导体激光器,可用于光通信.此后的几年中,随着制造工艺的改进,特别是光通信的工作波长移到光纤的长波长透明窗口,使损耗急剧降低.

在光纤中传播的光波经过“调制”,把电话、电视等信息荷载到光波上,就可以沿光纤远距离传播.光纤传输不受外界电磁场的干扰,性能稳定,不会生锈变质,具有非常大的带宽,容量极大,而制造、铺设光缆的费用又较低,近年来发展非常快.可以说光纤和光纤通信的出现成为光学发展历史上的重要的里程碑之一.光纤、光缆已形成巨大的产业.据美国市场调研公司 ElectroniCast公司的报告,1998年全球光缆消费量为146亿美元,到2008年增长到400亿美元以上.图6给出光通信和电通信传输速率的对比.

图6 光通信和电通信的传输速率对比

高锟曾在电磁波导、陶瓷科学(包括光纤制造)方面获多项专利.由于在光纤领域的开创性贡献,他获得巴伦坦奖、利布曼奖、光电子学奖等,被誉为“光纤之父”.

1970到1974年高锟担任香港中文大学电子学系教授,1974年返回国际电话电报公司(ITT)工作.当时,光纤领域进入“前生产”(即小批试产)阶段.此后,他曾在美国弗吉尼亚州劳诺克公司的光电产品部、德国的 SEL研究中心工作过,并担任过耶鲁大学特朗布尔学院兼职教授及研究员.

1987年10月,高锟从英国回到香港,并出任香港中文大学第三任校长.从1987年到1996年任职期间,他为中文大学罗织了大批人才,使中大的学术结构和知识结构更加合理.在与内地科技界的交流合作中,他主张“一步一步把双方的联系实际化”.

高锟于1996年当选为中国科学院外籍院士.由于他的杰出贡献,1996年,中国科学院紫金山天文台将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“3463”的小行星命名为“高锟星”.

4 对于光纤中光损耗的进一步研究,三个光学窗口

光纤中光波传输损耗的原因是散射和吸收,光波能量在传输过程中的衰减又可分成两类,一类是内禀衰减(intrinsic attenuation),主要对应于电子跃迁、分子振动、转动等吸收带,这是不可避免的物理效应.当光波传播时部分光能量转换成介质内电子和分子的能量.电子跃迁对应的吸收带主要位于短波段,对红外和可见光部分的影响很小,分子振动带则位于中远红外,其短波限约为1.8μm,对于近红外波段的光通信影响不大.

另一类是由介质内部的不均匀引起光的散射,称为外赋衰减(extrinsic attenuation).短波段的主要贡献是瑞利散射,该效应由介质内部尺度为λ/10量级的密度或介质组分的涨落引起,与波长的4次方成反比,其散射截面的表达式如下:

式中,n为折射率;f(θ,φ)为散射的角度因子.

这一效应在紫外和可见短波段对光波的吸收比较强烈,随着波长的增大而迅速减弱.波长为0.8μm时吸收约为2.3dB/km,当波长大于1.1μm后下降到0.5dB/km左右,当波长为1.55μm时更降为0.15dB/km.由介质内部尺度与波长同量级的不均匀引起的散射称为米氏(Mie)散射,近代制造技术使光纤更加均匀,米氏散射的影响越来越小.

在光纤中主要的吸收是由于OH根(水)的吸收造成的,具有 3个吸收峰:950nm、1240nm和1390nm,最后一个吸收峰最为严重,构成吸收带1350nm～1450nm.在瑞利吸收限和振动吸收限之间,OH根的吸收带之外,出现3个透明窗口,参见图7.短波窗口的中心大约为850nm,这正是早期的光通信波段,典型的吸收值略大于2dB/km.在OH根吸收带两侧有两个更加透明的窗口,一个在1310nm附近(1260nm～1360nm,O-带),称原频带;另一个在1550nm附近,分成短波频带(1460nm～1530nm,S-带),寻常频带(1530nm～1565nm,C-带)及长波频带(1565nm～1625nm,L-带).后两个透明窗口正是目前光通信常用的波段.

图7 典型光纤(GeO2掺杂单模光纤)的红外吸收谱线

5 光通信发展的五个阶段

在1977年,采用850nm镓铝砷(GaAlAs)半导体激光器为光源的光纤成功进行了野外电话通信的试验.第一代光通信光损耗为2dB/km,可以无中继器传输几公里,光损耗限制了传输距离的进一步扩展.第一代光网络只是“点到点”的连接,还谈不上网络,其传输速率仅为45Mb/s.上世纪70年代初,在英国1km光纤传输试验线路开通,带宽为1GHz.美国、日本和德国也相继开通了使用光纤传输的电话线路.

第二代网络与第一代几乎是并行发展的,采用的是铟镓砷磷(InGaAsP)激光,波长向红外延伸到1.3μm,光纤损耗降低至0.5dB/km.第一条大西洋海底光缆的硬件设施表明,单模光纤系统是可行的.当20世纪80年代早期的长途电话市场反垄断开放后,通信运营商建立了以1.3μm为光源的单模光纤国家电信骨干网.这项技术扩展到其他通信领域,并成为众多光纤系统的标准.到1987年,第二代光网络系统运行速率已达到1.7Gb/s,大约每50km需要中继一次.第二代光网络系统中继距离的扩展受到0.5dB/km光纤衰减的限制.

第三代系统采用1.55μm的激光,光纤损耗低达0.2至0.3dB/km.然而1.55μm的光纤色散较大,系统的发展受到影响.直至1990年,速率为2.5Gb/s的第三代系统才投入商业运行.1.55μm的第三代系统的主要问题在于采用光-电-光中继器,间距仅为60到70km,因而长距离通信系统就要进行多次中继,不但给长距离传输带来麻烦,光电转换还构成扩大传输容量的瓶颈.图8给出了第三代系统的结构图,新一代单模光纤系统开拓了海底光缆及大容量多用户的应用前景.

图8 第三代光纤通信系统

20世纪80年代末及90年代初,由英国南安普顿大学发明的掺饵光纤放大器[2](erbiumdoped fiber amplifiers,EDFAs),成为光纤传输系统发展过程中又一个重要的里程碑.

EDFA是由几米至几十米长的光纤构成,掺入稀有金属元素铒.用0.98μm泵浦光将光纤中的铒原子从基态4I15/2激发到激发态4I11/2,通过无辐射弛豫回到亚稳态4I13/2,形成反转分布.入射信号光子触发了铒原子使其跃迁回到基态4I15/2,发射频率为1.5μm左右的光子.在此受激辐射过程中,每个入射光子触发了大量的光子发射,从而产生受激光放大,参见图9.受激辐射的波长、相位、偏振等与入射光子具有天然的一致性.

图9 铒离子 Er3+的能级和跃迁(基态和亚稳态均为斯塔克加宽)

铒原子能级的差与光纤介质1.55μm的低损耗窗口相符,其亚稳态4I13/2和基态4I15/2均为斯塔克分裂加宽,每个能级都由许多子能级构成,亚稳态和基态间的辐射形成足够宽的频带,因此非常适于用于1.5μm信号 的宽带光纤放大器.图10为掺饵光纤放大器的结构图.

图10 掺饵光纤放大器的结构图

第四代光纤通信系统采用掺饵光纤放大器和波分复用技术[3].波分复用简单说来就是把多个波长的光信号通过波分复用器(wavelength division multiplexing,WDM)耦合到一根光纤中传播,由于不同波长的光束是互不相干并独立传播的,通信传输容量大幅度增大,在接收端用解复用器(wavelength demultiplexing)把各个信道的信号重新分开.图11为该系统的结构示意图.波分复用技术开始了光通信的另一次革命,它使得光通信的容量自1992年以来,每16个月增长一倍,致使光通信的速率在2001年达到 10Tb/s(Tb=1012bit),比同轴电缆的传输容量增加了6个数量级以上.

图11 第四代光通信系统:掺铒光纤放大(EDFA)和波分复用(WDM)的完美结合。图中表示第五通道经由循环器下线,还给出拉曼放大示意图

为了满足日益增长的数据传输需求,密集波分复用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)[4]技术开拓了传输容量的新视野.DWDM与EDFA技术共同开创了这种系统的新生代——第五代光纤通信系统,在 WDM系统中发送越来越多的波长(通道),进一步提高光纤通信系统的容量.EDFA可以同时对于大约30 nm宽波段内的多个波长信号进行放大.第五代光纤通信系统还努力提高每个通道的速率,将原来每通道10Gb/s提高到40Gb/s.在不远的将来,有可能采用DWDM网络,以160Gb/s的通道传输速率,提供更高的传输容量.图12(a)给出了第五代系统的结构图,图12(b)为简化四通道DWDM系统.

通常用比特率-距离积 (bitrate-distance product),即BL来评价通信系统的品质因素,其中B为比特率;L为中继器的间距.从1975到2000年经过光通信系统的更新换代,比特率-距离积快速增加,参见图13.随着技术的不断发展,光通信的容量所能达到的极限几乎是不可预言的.

21世纪的人类社会是一个高度信息化的社会,对信息量的要求呈现爆炸性的增长和提速:可以用“3T”来表征(T表示1012):Tb/s的信息传输速率,Tb位的信息存储容量,(1/T)秒的信息处理速度.据估计,目前全世界已有超过10亿km的光缆.近十年来,以人们难以想象的速度实现了“光纤到办公室”(fiber-to-the-office,FTTO),“光纤到楼层”(fiber-to-the-floor,FTTF)以及“光纤到户”(fiber-to-the-home,FTTH).以高锟和他的同事们的开创性的研究工作为起点的光纤通信经过几十年的高速进展,最终实现了 Tb/s的信息传输,构建了全球的信息高速公路网,图14为全球洲际光通信网络.

图12 (a)第五代光通信系统;(b)一个简化的四通道DWDM系统

图13 从1975到2000年比特率-距离乘积的增加

图14 全球光通信网络

6 光第一次跑赢了电,Electronics在做什么?

上个世纪,光-电之间的几次较量,例如“光信息处理”、“光计算”、“光互连”、“光神经网络”等,光学都输了.但在大容量长距离信息传输中,光通信终于跑赢了电通信,光学信号处理超宽带、高度并行的优势发挥到极致.当前,通信和网络变得越来越“光学化”,这使得通信的带宽越来越宽,传输速率越来越快.有人预言,未来的通信将使用所谓的全光网(all-optical network,AON);也有人说,只有光学技术才能够满足不断增长的通信带宽的要求.当然,对AON的质疑仍然不少.

那么,在越来越光学化的通信系统中,Electronics在做什么?

首先,一些传统的电信号处理强项:测控、调制、信息处理,仍然由电子系统担当.由测不准原理,光脉冲频带很宽,在长距离传播过程中除信号衰减外,还会出现色散现象,使脉冲加宽、变形.此时,利用电子线路监测,并进行在线“3R”处理:Reamplifying(再放大),Re-shaping(再整形)和 Retiming(再定时),又称“信号再生”.其实 ,光和电的特点不能互相替代,正确的提法为光电结合.

7 物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力

北大物理学院甘子钊院士曾精辟地指出[5]:“物理学作为一门最基础的自然科学,它的发展动力是深深地植根于人类对真理的非功利的追求.但是,历史的发展将越来越有力地证明,正是这种非功利的追求给人类带来最大的收获.本世纪(20世纪)发生的主要源于物理学的进展的技术革命,就是最有说服力的例子.当代技术进步的主要推动力来自纯学科性的基础研究.研究室和实验室中纯学科性的研究转变为重要的应用技术,实际生产和社会发展中遇到的问题转化为有基础学科意义的研究课题,两者关系愈來愈密切,周期愈來愈短.”

2009年,诺贝尔物理学奖第九次奖励形成产业的基础物理研究.源自高锟在英国STL研究成果的光纤传播信息;源自美国的 W.S.Boyle和G.E.Smith当年在贝尔实验室的研究成果CCD采集、处理信息.经过科学家和工程师几十年研究开发,两项科研成果最终演变成巨大的信息产业.正如2000年12月第三届世界物理学大会的决议所述:“物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力.”

物理学家所从事的基础研究的成果最终为人类带来巨大福祉,但他们的研究工作却完全是非功利的,他们的动力源自对真理的追求.其实,科学研究的终极目的无非是造福人类社会,科学研究本来就是“厚积薄发”,数载、数十载寒窗的研究工作一旦开发成为产品,无异于长久积聚的潜能在一瞬间的喷发.

今天,当我们享受信息科学技术的巨大成果的时候,人们不会忘记物理学家们的辛勤工作.诺贝尔物理学奖奖励原创性的研究,见证了科学家们对人类、对社会的奉献.

本文写作过程中,参考了作者和羊国光、余金中编著的《信息光子学物理》[6]的有关章节,北京邮电大学余重秀教授提供了重要的资料,在此谨致谢忱.

[1] K.C.Kao andG.A.Hockman,Dielectric-fibre surface waveguide for optical frequencies,Proc.IEEE 133(1966),1151～1158

[2] S.B.Pool,D.N.Payne,R.J.Mears,ME Fermann,and RI Laming,Fabrication and characterization of low-loss optical fibers containing rare-earth ions,J.Lightwave Technol.4(1986),870～875

[3] R.J.Mears,L.Reekie,I.M Jauncie,and D.N.Payne,Low-noise erbium-doped fibre amplifier at 1.54μm,Electron.Lett.23(1987),1026～1028

[4] A.Boolla,G.Cancellieri,and F.Chiaraluce,WDMA Optical Networks,Artec House,Norwood,MA,1998

[5] 甘子钊.世纪之交的物理学.(北京大学物理丛书)序,1997

[6] 宋菲君,羊国光,余金中.信息光子学物理,(北京大学物理学丛书).北京:北京大学出版社,2007

THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS BECOMES AN INFORMATION INDUSTRY——THE 2009 NOBEL PRIZE IN PHYSICS GOES TO CHARLES K.KAO

Song Feijun
(China Daheng Group,Inc.Beijing 100085)

The paper describes the achievements of Dr.Charles K.Kao,who

the 2009 Nobel Prize in Physics.This is the ninth time the Nobel Prize in Physics has been awarded for physical research that has ultimately become a huge industry. The recent development of the optical fiber communication is reviewed.Its progress from a pure physical research project to finally become an information industry and enormously benefit society is remarkable.Clearly,the relationship of the“source”and“course”for pure physical research and the resulting industry is closely related to extraordinary human effort.

optical fiber;optical communication;EDFA;WDM;information industry

2010-01-11)

附注本文原刊登于《物理》杂志2009年第十二期,《物理》编辑部同意本刊转载.本刊对作者和《物理》杂志编辑部表示感谢.在本刊发表前,作者对文章进行了修改,增加了部分内容.