2022年04月14日 12:01
【科學快訊】
來源：原點閱讀
2006年12月26日，中國台灣南部海域發生了7.2級的地震，雖然沒有造成人員傷亡和建築物損失，但破壞卻十分嚴重。地震造成13條國際海底光纜受損，中國至歐洲大陸部分語音通信和數據專線中斷，更為嚴重的是，互聯網大面積擁堵、癱瘓，中國、日本、韓國、新加坡成為重災區。
這件事告訴我們，現今人類已經離不開信息，而信息離不開海底光纜。在不聲不響中，這些比頭發絲還細的石英玻璃光導纖維影響著億萬人的生活，它們的暢通牽動著全世界人的神經！
提到光纜，不能不提起一位華裔科學家，他就是高錕。
高錕
1933年高錕出生於上海，童年時候的他迷上了化學，他家的三樓就是他的實驗室。他自制的東西五花八門，有滅火筒、煙花、爆竹、曬相紙，甚至試做過炸藥。他用紅磷粉混合氯酸鉀，與泥拌和搓成彈丸，他把風幹後的彈丸扔下三樓，結果爆炸了，幸好沒有傷著人。後來，他又迷上了無線電，自己組裝了六七個真空管的收音機。這些經曆，一點點地開啟了高錕科學智慧的潛能。
考入香港大學以後，由於當時的香港大學沒有他想要學的電機工程專業，只好轉到了倫敦大學。1963年，在倫敦大學博士研究生還沒有畢業時，高錕就加入英國哈羅電信標准實驗室工作。他先後輾轉在4個部門裏工作，從理論到實踐積累了豐富的經驗，後來被指定為電子光學研究組的負責人。
高錕在實驗室（60年代）
1964年12月是高錕進入成功道路的關鍵時刻，他接管了這個實驗室的光學通信項目。多年來，這個研究組的前任領導一直熱衷於薄膜波導通信，但高錕卻獨具慧眼。自從激光問世之後，這種能長距離傳輸的特殊光就引起了他的注意，他意識到利用激光進行光纖通信更具有發展前景，於是放棄了已經進行了多年的項目，毅然開啟光纖通信研究。此舉意味著另起爐灶，一切從頭做起，不僅要從理論上論證光導纖維通信的可能性，還要因為激光在空氣中傳輸信號的波動極大，先解決傳輸激光信號的介質難題。
1965年，在獲得倫敦大學電機工程專業博士學位後，高錕立刻全身心地投入到這項研究中。
1966年1月，他向英國電氣工程師學會（IEE）遞交申請報告，提出了他的大膽設想，並從理論上探討了光導纖維實現現代通信的可能性及發展前景。
1966年7月7日高錕與英國電氣工程師喬治·哈可汗（George Hockham）以「光頻率的介質纖維表面波導」為題，聯名寫出論文，投寄到英國《電氣工程師學會進展》雜志上。這篇論文首次從理論上論證了利用玻璃纖維實現光通信的可能性，並成為當今光纖通信的理論基礎。
雖然高錕和他的同事哈可汗很早就光纖通信項目開始實驗研究，然而他們的這項研究並不被看好，幾年中，有不少同行陸續從這個領域退出去。
正如這些人所料，高錕也遭遇到了基礎性的困難——玻璃纖維傳輸信號的損耗問題。要實現光纖通信，光纖所傳播的信號衰減值是有極限要求的，即每千米衰減不得超過20分貝。但在當時，制造玻璃纖維的工藝要求十分嚴格，他們辛辛苦苦研發出來的玻璃纖維衰減值竟然高達每千米1000分貝，有時甚至更高。這意味著，要麼接著找，但情況並不樂觀，要麼像大多數同行那樣，轉身放棄。
由於認識到這項研究對於通信技術發展的長遠意義和商用價值，高錕選擇了堅持，他率領研究組展開了尋找材料的攻堅戰。他們實驗了各種各樣的玻璃和其他介質材料，對各種不同材料做不同波長段的精確測量。高錕產生了試一試提純石英玻璃的想法，因為玻璃材料中的雜質有可能是產生光信號衰減的決定性因素，他認為只要設法減少玻璃中的雜質，衰減自然就會消除。
為了尋找新材料，研發新的器配件，高錕又率領研究組造訪了民用和軍用的有關單位，訪問了美國和日本，參觀了許多玻璃和聚合物工廠、研究所，會見各相關領域的工程師、技術人員、科學家和商人，就改進玻璃纖維制作工藝進行切磋。
高錕
1969年，他們終於研發成功一種超級透明石英玻璃纖維，經測量，這種材料每千米信號衰減為4分貝，在民用與軍用上都具有極高的應用前景。
在這項研究過程中，高錕共發表論文一百多篇，獲得了三十多項專利，既解決了光導纖維芯材料，也解決了光纖的支持外殼材料，同時還研究了對應於高頻傳輸的「太比特」——度量信息的單位技術，正因如此，高錕又被稱為「太比特技術之父」「寬帶之父」。
現在，加萬的氦氖激光器與高錕的光纖通信，這兩項發明已經成為現代通信技術的兩大裏程碑事件。高錕的設想也逐步變為現實，利用石英玻璃制成的光纖應用越來越廣，它們在全世界迅速掀起了一場光纖通信革命。
特別是1977年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時宣布研制成功壽命達到100萬小時的半導體激光器，更為光纖通信的迅猛發展注入了活力。
1977年，世界上第一條光纖通信系統在美國芝加哥投入商用，速率達到每秒4.5億比特。
到了2012年，日本電報電話公司宣布單芯光纜已經能達到每秒1000萬億比特 ，在不使用中繼器情況下，傳輸距離達到50千米。現代的光纜還可以把上千根光纖組合在一條光纜中，具有強大的帶寬潛力，既可以傳輸模擬信號和數字信號，又可以傳輸視頻信號。
上圖所示為多芯的通信電纜，目前已經達到144芯！僅一束光纜中的一條單根光纖，傳輸速度就可以達到每秒幾千兆比特（Gb/s）的信號。隨著互聯網應用的爆發性增長，世界各國都在競相發展超高速、超大容量、超長距離的光纖信息傳輸技術。信息技術的發展促進了各個科技領域的發展，而科技的迅速發展，又正反饋地使通信技術騰飛起來。所有這一切，都發端於20世紀六七十年代的高錕研究組的工作。
2003年，高錕罹患阿爾茨海默症，大腦萎縮使這位頂尖科學家變得像小孩子那樣單純。昔日的光纖通信之父已經不記得什麼是「光纖」了，但是科學並沒有忘記他。迅猛發展的光纖通信處處留有高錕的印記。
高錕領取諾獎時的情景
在2009年的諾貝爾物理學獎頒獎儀式上，高錕獲得特許，不必走到台上，免去了三鞠躬的禮儀，瑞典國王卡爾六世破例走下台來到高錕的面前，將諾貝爾獎的獎牌和證書親自頒發到高錕的手中。
來源：《科學史上的365天》
作者：魏鳳文 武軼
