1963年卡博瓦克安排高錕和霍克漢研究介質光波導,當時30歲的高錕正在寫關於波導研究的博士論文,霍克漢剛大學畢業兩年,卡博瓦克認為光導纖維是有前途的,但是他擔心材料損耗,所以他鼓勵高錕和霍克漢研究他自己設計的一種新穎的平麵波導,在這種平麵波導中光大體上是沿著外側傳播。高錕和霍克漢測試了卡博瓦克的波導,發現它對彎曲非常敏感,而這正是毫米波導管和空腔光波導管都無法避免的問題。
1964年末,新南威爾士大學授予卡博瓦克電氣工程的教授職位,這是晉升的大好機會,於是卡博瓦克離開了英國的標準電信實驗室,把光學研究課題交給高錕。高錕和霍克漢並沒有拘泥於原有的方案,而是把注意力轉向光導纖維。他們知道,玻璃纖維細小而且宜於彎曲,比起貝爾實驗室的空腔光導管來有很多優越的地方。
高錕和霍克漢吸取了斯尼徹(ESnitzer)的意見,認識到如果包層的折射率比纖芯正好小1%,就可以在較大的光纖中進行單模傳輸,包層不僅增加了纖維的直徑,而且改變了波導的特性,使單模有可能在直徑10倍於波長的纖芯中傳送。
高錕集中精力於難以解決的光學損耗問題,他向光學專家請教,發現雜質導致絕大部分吸收,如果使玻璃變純將大大減少損耗,剩下的就是約1dB/km的散射損耗,這個數字是繆勒(CMaurer)在一篇文章中導出的,繆勒後來領導康寧(Corning)玻璃公司做出了首批低耗纖維。霍克漢則致力於研究光纖所需的均勻性。大多數波導係統對直徑的微小變化極為敏感,而這變化在真正製造過程中幾乎不可避免,但是霍克漢證明機械公差10%足以給出大約1GHz的帶寬。
1965年11月他們向在倫敦的電氣工程師協會(IEE)遞交了共同署名的論文,略加修改後,發表在1966年7月的IEE會刊上。論文題名為《用於光頻的介質纖維表麵波導》。他們在結論中明確地提出了用光導纖維的方案。在高錕兩人的論文激勵下,美國康寧公司在1970年率先研製出了衰減率低於20dB/km的石英光導纖維,恰好這一年適合於光纖通信之用的光源——雙異質結半導體激光器問世。這兩項技術的突破立即掀起了研製和使用光纖通信的高潮。此後,光纖的衰減率不斷降低,1974年為2dB/km,1979年最低達到了02dB/km,而半導體激光器的壽命則大大增加,剛開始隻有幾小時,1975年為10萬小時,1979年則達100萬小時。1977年貝爾實驗室首先完成了光纖通信的現場試驗,全麵製備了光纖通信的配套器件,完善了生產工藝,從此光纖通信進入了實用階段。
80年代初,世界各地開通的光纖通信線路已達上千條,除用作電話通信外,也用於數據傳輸、閉路電視、工業控製、監測以及軍事目的。1988年第一條跨越大西洋海底,連接美國東海岸同歐洲大陸的光纖開通。1989年4月,從美國西海岸經夏威夷及關島,聯結日本及菲律賓的跨太平洋海底光纜開通了服務,後來又有第二條跨大西洋海底光纜投入使用。在陸地上的推廣應用更是日新月異。許多國家相繼宣布,幹線大容量通信線路以後不再新建同軸電纜,完全鋪設光纜。我國幹線係統中比較著名的有南沿海工程,滬寧漢幹線,蕪湖至九江,京漢廣幹線等。短距離係統更是不計其數。在武漢、上海、西安、北京、天津等地建立了幾家規模較大,水平較高的光纖、光纜製造廠,另外還有一批與之配套的光電子器件工廠及研究所,為光纖通信在我國廣泛推廣應用打下了基礎。
時至今日,無線電外差通信正向光外差通信發展,通信設備技術正由微電子集成向光電子集成發展,單頻、單波長、單通道正向多波長、多通道、微波負載、波密集光通信發展,電纜通信正在被光纜通信取代。
22.射電天文望遠鏡的發明
物理學和天文學的結合產生了天體物理學,在19世紀末達到了鼎盛時期,當時人們廣泛使用天文望遠鏡觀測從天體發來的光譜信息。人們分析這些光譜從而大大擴展了對天體的認識。進入20世紀,無線電開始得到了應用。出乎科學家的預料,無線電工程剛剛發展,就成了天文學的重要工具。到了20世紀中葉,以射電天文望遠鏡為主要工具的射電天文學已經成為天文學的一個重要分支學科,許多重要天文發現由此產生。一座座射電天文望遠鏡不分晝夜,在世界各地指向太空,不停地捕捉來自宇宙的信息,其本領遠遠超過光學望遠鏡!我們現在就來對射電天文學的發展做些簡單的介紹。從中可以看到有關的一些物理學家為射電天文學的發展所做的多項創造性貢獻。首先要提到的是宇宙無線電波的發現者,他名叫央斯基(KGJansky)。
央斯基是美國人,1928年大學畢業後來到貝爾實驗室工作。他當時的任務是研究短波通信的幹擾問題。1931年的一天央斯基在研究短波通信幹擾時注意到了一種非常微弱的吱吱聲。雖然這樣微弱的幹擾對無線電通信沒有實際影響,他完全可以對其置之不理。但是,央斯基本著對宇宙的好奇心,沒有放棄這一異常現象。起初,他以為這種噪聲可能與太陽有關係。經過反複考察,他發現這些噪聲每天總是提前4分鍾發生。他一時不明白這一現象的起因。正好央斯基有一位從事天文學的朋友,他在和這位朋友的交往中學到了許多天文知識。他知道:恒星日比太陽日要短4分鍾。這使央斯基想起,這個按時出現但卻總要晚4分鍾的宇宙無線電波不是來自太陽,一定是同某個恒星有關係。央斯基鍥而不舍地緊緊地跟蹤這微弱的噪聲。經過一年的監測,終於找到了這個射電源的方位。他繪出了射電源在宇宙上的坐標。原來,這個射電源在銀河係中心附近。
這是人類第一次探測到來自太空的無線電波。從此,人類打開了探測宇宙奧妙的又一個窗口……射電天文學從此誕生了。在這之後,射電天文學迅速發展,先後發現了宇宙背景輻射、星際分子、脈衝星和類星體。人們利用射電天文望遠鏡把自己的視野擴展到100億光年以外的深遠宇宙空間。