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高錕光纖之父 遲來的榮耀

2016-07-25

  五十年前,一個華裔工程師高錕(Charles Kao)發(fā)表了一篇論文,徹底改變了現(xiàn)代通信方式。

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  1966 年,當時只有 32 歲的高錕發(fā)表了題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導》的論文,提出了光導纖維在通訊上應用的基本原理,大膽設想用純凈的玻璃代替銅線,通過光來傳送信號。

  高錕因為這篇論文,被稱為是“光纖之父”。然而,在真正被外界認可之前,高錕一度被諷刺是“癡人做夢”。

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  發(fā)表論文的時候,高錕正在英國標準電信實驗有限公司(STL)當工程師。當時正處于通訊事業(yè)的變革時代,傳統(tǒng)的電通信方式已不能滿足人們的需要,很多研究者意識到是時候該改善通訊設施。

  那時候,做通訊技術(shù)最先進、最權(quán)威的是貝爾實驗室,而熱門的通信技術(shù)是毫米波通信。貝爾實驗室的研究重點還是空心光波導。因此,這篇論文剛發(fā)表時,并沒有在通訊行業(yè)引起很大的回響,做同類研究的不多,主流的研究室都不看好光纖通信。

  在高錕發(fā)表論文前,其實貝爾實驗室的 Rudolf Kompfner 也有研究光纖,只是 Rudolf 打算用玻璃纖維來傳輸激光,不過他考慮到的是世界上并沒有太多能用到的純凈玻璃,后來還是放棄了這個項目。

  法國人Werts 和Spitz 也有研究光纖通信,不過高錕的論文發(fā)表恰好比他們早了兩個月,而這兩個人后來因為沒有研究資金,不得不放棄研究。

  這些巧合,使得他們跟光纖通訊失之交臂。

  其實,本來高錕的工作重點是研究和改進微波傳送通訊系統(tǒng)。研究了三年后,他發(fā)現(xiàn)這個技術(shù)面臨著各種限制,沒辦法從根本改善通訊。高錕的在 STL 的上司 Antoni Karbowiak 帶領著他,尋找了另一種不同的方法。

  Antoni 希望用光通訊來取代傳統(tǒng)的毫米波通訊技術(shù)。他試圖使用薄膜波導結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)傳輸,研究了很久但一直沒辦法實現(xiàn),就在研究到了最后時期的時候,Antoni 離開了 STL 去了澳洲任教(另一個悲傷的故事……)。

  高錕和另一個同事 George Hockham 繼承并改進了Antoni 的研究,高錕放棄了薄膜波導結(jié)構(gòu),改用玻璃纖維進行傳輸。通過研究波導的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的損耗性質(zhì),發(fā)現(xiàn)了玻璃纖維的損耗是由于玻璃中的金屬雜質(zhì)引起的,高純度的玻璃介質(zhì)能實現(xiàn)光通信,最后還計算出當當玻璃介質(zhì)的損耗低于 20dB/km 時,便可實現(xiàn)光速通訊。

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  要做出損耗低于 20dB/km 的玻璃纖維并不是一件容易的事,要知道當時世界上最好的光學玻璃是德國的 Ziss 照相機鏡頭,其損耗是 700dB/km,常規(guī)玻璃損耗約為幾萬 dB/km。因此,當時貝爾實驗室的權(quán)威專家都斷定光纖通訊沒有前途,而是繼續(xù)致力于研究空心光波導系統(tǒng)。高錕訪問貝爾實驗室,想尋求幫助時,還受到了冷遇。

  不過高錕并沒有因此灰心。為了找到那種“沒有雜質(zhì)的玻璃”,高錕跑了很多地方,去了許多玻璃工廠。

  高錕的執(zhí)著打動了英國國防部和英國郵政總局。1967 年,英國郵政總局撥款 1200 萬英磅給高錕研究纖維光學。

  當時世界最大的玻璃公司 Corning(康寧,iPhone 屏幕上的保護玻璃就是他家的)看完高錕的研究后,斥資 3000 萬美元,在 1970 年首次研制成功損耗為 20dB/km 光纖。

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  康寧公司制造的世界第一根光纖

  看到了光纖通訊的可行性后,貝爾實驗室的研究員開始相信高錕的研究,在 1970 年也開始研究光纖通訊,1972 年停止了所有的空心光波導研究。1973 年,美國貝爾實驗室研制的光纖損耗降低到 2.5dB/km。

  經(jīng)過高錕的努力,在 1981 年,第一個光纖系統(tǒng)面世。

  高錕曾說過,所有的科學家都應該固執(zhí),都要覺得自己是對的,否則不會成功。是的,正因為他的固執(zhí),我們才能迎來光纖通信的時代。

  2009 年,76 歲的高琨因“開創(chuàng)性的研究與發(fā)展光纖通訊系統(tǒng)中低損耗光纖”而獲得諾貝爾獎。在此前,諾貝爾獎偏重于基礎研究領域的成果,高錕是首位以應用物理研究獲諾貝爾物理學獎的人。

  高錕在早些年接受采訪的時候說過:

  目前,沒有其他物質(zhì)可以代替光纖。我認為,如果有,起碼要一千年之后。但是,請不要相信我說的話,因為我自己就從來都不相信什么專家的話。

  光纖大幅度提高了信息傳輸速度,構(gòu)成了通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和電視網(wǎng),光纖通信已是人們生活和工作的必需品。如果當年高錕相信了貝爾實驗室的權(quán)威專家,懷疑自己的研究,那也就沒有現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)生活。敢于質(zhì)疑權(quán)威的人,才能獲得最終的成果。


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