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高锟光纤之父 迟来的荣耀

2016-07-25

  五十年前,一个华裔工程师高锟(Charles Kao)发表了一篇论文,彻底改变了现代通信方式。

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  1966 年,当时只有 32 岁的高锟发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,提出了光导纤维在通讯上应用的基本原理,大胆设想用纯净的玻璃代替铜线,通过光来传送信号。

  高锟因为这篇论文,被称为是“光纤之父”。然而,在真正被外界认可之前,高锟一度被讽刺是“痴人做梦”。

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  发表论文的时候,高锟正在英国标准电信实验有限公司(STL)当工程师。当时正处于通讯事业的变革时代,传统的电通信方式已不能满足人们的需要,很多研究者意识到是时候该改善通讯设施。

  那时候,做通讯技术最先进、最权威的是贝尔实验室,而热门的通信技术是毫米波通信。贝尔实验室的研究重点还是空心光波导。因此,这篇论文刚发表时,并没有在通讯行业引起很大的回响,做同类研究的不多,主流的研究室都不看好光纤通信。

  在高锟发表论文前,其实贝尔实验室的 Rudolf Kompfner 也有研究光纤,只是 Rudolf 打算用玻璃纤维来传输激光,不过他考虑到的是世界上并没有太多能用到的纯净玻璃,后来还是放弃了这个项目。

  法国人Werts 和Spitz 也有研究光纤通信,不过高锟的论文发表恰好比他们早了两个月,而这两个人后来因为没有研究资金,不得不放弃研究。

  这些巧合,使得他们跟光纤通讯失之交臂。

  其实,本来高锟的工作重点是研究和改进微波传送通讯系统。研究了三年后,他发现这个技术面临着各种限制,没办法从根本改善通讯。高锟的在 STL 的上司 Antoni Karbowiak 带领着他,寻找了另一种不同的方法。

  Antoni 希望用光通讯来取代传统的毫米波通讯技术。他试图使用薄膜波导结构来实现传输,研究了很久但一直没办法实现,就在研究到了最后时期的时候,Antoni 离开了 STL 去了澳洲任教(另一个悲伤的故事……)。

  高锟和另一个同事 George Hockham 继承并改进了Antoni 的研究,高锟放弃了薄膜波导结构,改用玻璃纤维进行传输。通过研究波导的结构和介质的损耗性质,发现了玻璃纤维的损耗是由于玻璃中的金属杂质引起的,高纯度的玻璃介质能实现光通信,最后还计算出当当玻璃介质的损耗低于 20dB/km 时,便可实现光速通讯。

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  要做出损耗低于 20dB/km 的玻璃纤维并不是一件容易的事,要知道当时世界上最好的光学玻璃是德国的 Ziss 照相机镜头,其损耗是 700dB/km,常规玻璃损耗约为几万 dB/km。因此,当时贝尔实验室的权威专家都断定光纤通讯没有前途,而是继续致力于研究空心光波导系统。高锟访问贝尔实验室,想寻求帮助时,还受到了冷遇。

  不过高锟并没有因此灰心。为了找到那种“没有杂质的玻璃”,高锟跑了很多地方,去了许多玻璃工厂。

  高锟的执着打动了英国国防部和英国邮政总局。1967 年,英国邮政总局拨款 1200 万英磅给高锟研究纤维光学。

  当时世界最大的玻璃公司 Corning(康宁,iPhone 屏幕上的保护玻璃就是他家的)看完高锟的研究后,斥资 3000 万美元,在 1970 年首次研制成功损耗为 20dB/km 光纤。

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  康宁公司制造的世界第一根光纤

  看到了光纤通讯的可行性后,贝尔实验室的研究员开始相信高锟的研究,在 1970 年也开始研究光纤通讯,1972 年停止了所有的空心光波导研究。1973 年,美国贝尔实验室研制的光纤损耗降低到 2.5dB/km。

  经过高锟的努力,在 1981 年,第一个光纤系统面世。

  高锟曾说过,所有的科学家都应该固执,都要觉得自己是对的,否则不会成功。是的,正因为他的固执,我们才能迎来光纤通信的时代。

  2009 年,76 岁的高琨因“开创性的研究与发展光纤通讯系统中低损耗光纤”而获得诺贝尔奖。在此前,诺贝尔奖偏重于基础研究领域的成果,高锟是首位以应用物理研究获诺贝尔物理学奖的人。

  高锟在早些年接受采访的时候说过:

  目前,没有其他物质可以代替光纤。我认为,如果有,起码要一千年之后。但是,请不要相信我说的话,因为我自己就从来都不相信什么专家的话。

  光纤大幅度提高了信息传输速度,构成了通信网、互联网和电视网,光纤通信已是人们生活和工作的必需品。如果当年高锟相信了贝尔实验室的权威专家,怀疑自己的研究,那也就没有现在的互联网生活。敢于质疑权威的人,才能获得最终的成果。


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