第二章學生物理發明啟迪5
21.光導纖維的發明
光通信是一門既古老又年輕的科學技術。說它古老，是因為早在古代就有利用光傳遞信息的記錄。我國的周朝，就曾經用“烽燧”來傳遞敵人入侵的信息，距今已三千餘年。航行中利用旗語和燈光傳遞信息，也有幾百年了。1880年發明電話的貝爾就曾經進行過光通信的實驗。
可見，用光傳遞信息遠比用電傳遞信息的曆史來得悠久，當然所有這些都隻是在空氣中傳遞光的信息。說它年輕，是因為光通信真正成為現實，還是近三十多年的事情，隻是在激光器出現之後，電纜通信和無線電通信已顯示出許多不足，采用光學方法代替電學方法傳遞信息才成為當務之急。於是，以光導纖維(簡稱光纖)為核心的光纖通信技術就應運而生。
作為一門高新科技，光纖通信可以說是物理學、化學、電子學、材料科學等學科的綜合產物，在當代高新科技中具有特殊的地位。我國國家科學發展規劃，把光纖通信和計算機、生物工程等項目並列為技術革命的重點，就可見其重要性。
光纖通信是現代信息傳輸的重要方法之一。它的特點是：容量大，保密特性好，抗幹擾性能強，中繼距離大，節省銅材等。
光纖一般是由同心圓柱形的雙層透明介質，主要是石英玻璃之類的介質組成，石英玻璃實際上就是二氧化矽(SiO２)。介質的內層叫纖芯，外層叫包層，纖芯的折射率高於包層，光纖拉成細絲，其直徑約為數微米，包層直徑為125微米。多根光纖組成光纜，結構與電纜差不多，其製造方法和環境要求也與電纜類似。
值得特別向讀者介紹的是，英籍華裔科學家高錕(CharlesKao)的開創性工作對這項重大課題的解決具有決定性的意義。
1966年，高錕和他的合作者霍克漢(GAHockham)在進行一係列理論和實驗研究之後，發表了一篇著名論文，提出用光纖進行長距離通信的建議。他們預言光波導材料的衰減率有可能從當時的每千米1000分貝(即1000dB／km)降低到每千米20分貝(即20dB／km)，他們證明單模光纖每秒有可能傳送10億位數字信號，並論證了單模光纖的要求和特性。這兩位科學家以敏銳的洞察力，勾畫出了尚未出現的技術藍圖。他們認為最艱難的任務是研製損耗低於20dB／km的光纖材料。這一指標在1966年實在難以實現，但是在高錕的激勵下，僅僅過了4年，就有人宣布達到了這個指標。從此，光纖通信技術蓬勃發展，而高錕和霍克漢的這篇著名論文就成了光纖通信領域的裏程碑。
高錕1933年生於上海，1957年獲倫敦大學物理學士學位，1965年獲博士學位，1957～1960年任英國標準電話和電纜公司工程師，1960～1970年轉到英國標準電信實驗室(STL)任職。就在這裏，他和霍克漢在微波技術專家卡博瓦克(TKarbowiak)的領導下，對微波波導開展研究，並在卡博瓦克引導下，轉向光波波導的研究。
應該說明，纖維光學並非他們首創。大家知道，光從光密媒質(折射率大)射向光疏媒質(折射率小)時，如果入射角大於臨界角，就會發生全反射。光導纖維就是根據這個原理。早在1910年，著名物理學家德拜(PDebye)和他的合作者洪德羅斯(Hondros)就對介質波導做了詳盡的理論分析。到了50年代，用玻璃做成可彎曲的光束管道，可以使醫生能夠看到人體內部，這就是所謂的內窺鏡，直到現在還有廣泛應用。然而，內窺鏡采用的光纖是玻璃製品，其衰減率大於1000dB／km，隻適用於長度不超過1～2米的儀器傳光傳像，根本不能用於長距離通信。即使在1960年發明了激光器之後，用激光器作光源，由於光纖的衰減率如此之大，也無法利用光纖進行長距離通信。
激光器的發明使人們對曆史悠久的光學刮目相看。完全有理由相信，以激光為主體的光通信時代即將到來，這一認識促使人們加強對光通信的研究。當時微波已經是遠距離通信，包括電視和電話的重要媒介。而微波既可經空氣傳送，也可經波導傳輸。人們很自然地想到激光也應該能夠像微波那樣，經空氣直接傳送或經空腔光學波導傳輸。人們普遍認為，隻要把微波技術擴展到光傳輸，就可實現遠距離光通信。例如，美國貝爾電話公司的貝爾實驗室就在致力於這方麵的研究，當時高容量電話係統是靠微波在一係列塔架之間從空氣中傳送，就像多年來一直在用的微波電視傳送一樣，貝爾實驗室的科學家用激光器做了一個模擬器，建在新澤西州的赫爾姆戴爾(Helmdel)的主實驗室和附近的克羅福德山實驗室的屋頂之間，經過多次試驗，沒有取得預期效果。他們很快發現，空氣並不像看起來那樣純淨，雨、雪或濃霧都能使信號強度大大衰減，例如：經過26km的路程信號竟衰減了60dB以上。顯然，從空中直接傳送光信號很難滿足高容量通信的需要。
貝爾實驗室同時還在進行另一套試驗方案。從1950年開始，微波工程師米勒(SEMiller)就帶領一個小組在克羅福德山研製一種空腔波導，專門用於60GHz的微波(頻率為60GHz的微波，其波長約為5毫米，所以也叫毫米波)，這種微波在空氣中衰減很快，因此采用波導管進行傳輸。他們的毫米波導管內徑是5cm，傳輸的是單模，以毫米波為載體，把語言數字化，並通過毫米波導管傳輸，其能力為160Mbit／s(兆比特／秒)。米勒小組相信，把空腔波導概念推廣到光波領域，有可能形成下一代新的通信技術。許多有名望的通信工程師也都是這樣想的。
然而，問題並不像人們想象的那樣簡單。大家知道，光波波長約為1微米，比毫米波波長小千倍，如果光波波導按比例縮小，就必須把空腔波導管的直徑做成10微米以下，而這個要求是難以實現的。如果波導管的直徑過大，傳送的光波隻能是多模的，這樣就很不利於光的傳播。但米勒小組並不把這當成障礙，理論上講，他們隻需要在波導管中增加許多透鏡，周期性地讓激光束沿著波導管重新聚焦，就可以克服這一困難。為了消除固體透鏡表麵不可避免的反射，貝爾實驗室試驗成功了氣體透鏡，用波導管中心冷空氣和管壁熱空氣折射率的不同進行聚焦，雖然仍有一些工程問題，但是基本概念已經很清楚了。於是，美國的貝爾實驗室就準備在條件成熟後推出以空腔波導為傳輸手段的光通信技術。這時已是60年代中期了。
英國的標準電信實驗室(STL)的裏弗斯(AHReeves)對通信技術的發展途徑有獨特的見解。他由於在1937年發明了脈碼調製而聞名於世。裏弗斯在激光出現時已經是58歲的人了。他富有遠見和創造性，在梅曼發明第一台激光器之前就對光通信發生了興趣，並向正在領導STL微波波導研究的工程師卡博瓦克提出光學研究任務。上麵我們提到的高錕和霍克漢就在卡博瓦克的小組中工作。開始他們也是跟美國同行那樣，把透鏡放在空腔光波導管中進行實驗，他們用柔性塑料製成固體介質波導管。這種固體介質波導管在微波係統中可以使用。如果它們的直徑按波長的比例縮小，應該也能在光波長範圍內工作。然而，用比頭發絲還要細的塑料棒傳送光波實際上會遇到許多難以解決的問題。