诺贝尔物理学奖得主“光纤之父”高锟辞世! 一文读懂高锟生平及光纤通信发展史

2018-09-24 14:55:33 来源:n

本文综合整理自:网易科技、腾讯科技、网优雇佣军等

9月23日消息,诺贝尔物理学奖得主、香港中文大学前校长高锟逝世,享年84岁。香港中文大学发文敬悼:敬悼中大前校长及光纤之父高锟教授。

高锟先生于1966年就光纤传输发表了具有划时代意义的论文,证明用玻璃纤维可长距离传递信息,打破玻璃纤维在早期只能短距离传输的理论难题,从此开启了光纤通信新纪元,并于2009年获得诺贝尔物理学奖,被尊称为“光纤通信之父”(Father of Fiber Optic Communications)。

光纤通信,作为20世纪人类社会所取得的最伟大的技术成就之一,是人类迈向信息化时代的重要基石。如果没有光纤通信的发明,就没有今天的信息社会,我们就无法享受今天的光宽带和移动互联生活。

敬悼光纤之父!致敬科学伟人!

精彩的人生

高锟生平

出生于上海书香门第

1933年11月4日,高锟出生在上海金山的书香门第,住在法租界,父亲用一把宝剑的名字为其取名。

祖父高吹万,乃清末民初著名爱国诗人。其父高君湘是律师,家境优渥,但家教甚严。

高锟幼时便受到国学启蒙。扎实的国学基础,对其一生产生了深远影响。

远赴英国求学

15岁时,高锟举家迁往香港。次年,高锟进入圣若瑟书院就读,中学毕业后考入香港大学,后远赴英国格林威治大学就读。

1957年,高锟从伍尔维奇理工学院电子工程专业毕业。

1965年,高锟在伦敦大学下属的伦敦大学学院获得电机工程博士学位。

工作期间提出的理论初时未获认同

1957年,高锟读博士时进入国际电话电报公司,在其英国子公司-标准电话与电缆有限公司(Standard Telephones and Cables Ltd.)任工程师。

1970年,高锟加入香港中文大学,筹办电子学系,并担任系主任;1987-1996年任香港中文大学第三任校长;1996年当选为中国科学院外籍院士;2000年被《亚洲新闻周刊》选为“二十世纪亚洲风云人物”。

但他未有放弃,继续研究及改良技术,至1981年第一代光纤系统面世,他亦因此获得“光纤之父”美誉。

在1987年,高锟回港出任中文大学第三任校长,期间创立讯息工程学系,直至1996年退休。

2003年初,高锟被证实患上阿兹海默病,此后,为帮助阿兹海默症患者,高锟与其夫人成立了高锟慈善基金。

2009年,在提出光纤通讯后四十多年,高锟获得诺贝尔物理学奖。

2018年9月23日,高锟病逝于香港,终年84岁。

高锟的主要贡献

迟来的诺贝尔物理学奖

高锟在国际电话电报公司任职期间,即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。

1964年,他提出在电话网络中以光代替电流,以玻璃纤维代替导线。

1965年,在以无数实验为基础的一篇论文中提出以石英基玻璃纤维作长程信息传递,将带来一场通讯业的革命,并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝/公里时,光纤维通讯就会成功。

1966年,在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通信媒介。

高锟在电磁波导、陶瓷科学(包括光纤制造)方面获28项专利。由于他取得的成果,有超过10亿公里的光缆以闪电般的速度通过宽带互联网,为全球各地的办事处和家居提供数据。

基于研究利用玻璃纤维传送讯号的知识,高锟于1966年发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,提出利用石英基玻璃纤维,可进行长距离及高讯息量的讯息传送。

简单地说,只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能够利用玻璃制作光学纤维,从而高效传输信息。

高锟的理论初时未获认同,更有媒体嘲笑他“痴人说梦”。

但在争论中,高锟的设想逐步变成现实:利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。

1971年,世界上第一条1公里长的光纤问世,第一个光纤通讯系统也在1981年启用。高锟“光纤之父”美誉传遍世界。

高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅助性子系统。他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都作了大量的研究,而这些研究成果都是使信号在无放大的条件下,以每秒亿兆位元传送至距离以万米为单位的成功关键。

2009年,高锟首次提出光纤通讯后四十多年,终获得诺贝尔物理学奖,诺贝尔委员会赞扬他“在纤维中传送光以达成光学通讯的开拓成就(for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication)”。

这是一份迟来的荣誉,高锟在科学上的贡献已经远远超越了时代的局限,让世界能够更快进入到信息爆发的时代。而现在谈起“光纤之父”的称号,高锟博士也并不在意。

2010年,高锟先后获得“影响世界华人大奖”,以及英女王寿辰“爵士勋衔”及香港“大紫荆勋章”。

高锟其人

高锟在香港中文大学任职期间,有时会受到同学们的恶作剧捉弄,这点从其学生梁文道的《我的老校长高锟》一文中,也可略知一二。

梁文道曾回忆称他当年在念书的时候,学生们都认为高锟只是个糟老头,并没有多么厉害。梁文道的一个同学是那时学生报的编辑,赶在高锟退休之前,在报上发了一篇文章,总结他的政绩,标题里有一句“八年校长一事无成”,大家看了都拍手叫好。

同学们对高锟做的恶作剧,高锟也只是笑笑,并不惩罚。

毕业之后,梁文道才从当年干过学生会和学生报的老同学那里得知,原来高锟每年都会亲笔写信给他们,感谢他们的工作。

而且每年都会自掏腰包,私下捐给这两个组织各两万港币的补助金,请他们自行分配给家境比较困难的同学。

美国总统奥巴马曾评价其:你的研究完全改变了世界,促进了美国及世界经济的发展,我本人为你而感到骄傲,世界欠你一个极大人情。

喧嚣之中他是唯一的平静

在获诺奖之前,高锟陆续得到过15项国际大奖,其中包括瑞典爱立信国际奖以及日本诺贝尔奖。直到他的研究问世43年后,人们终于记起他的成就,诺贝尔物理学奖到来时,他自己,却记不得了。

通知高锟获得诺贝尔物理学奖的当天,他正从老人健康中心回到家,高锟顺从地听着太太黄美芸的“指挥”,换鞋、喝牛奶、吃蛋糕、穿马甲。他的眼睛总不愿意离开黄美芸,他喜欢冲着她笑,她是他自传中第一章“邂逅”的主人公,也是他眼下唯一叫得出名字的人。

“电视里在播诺贝尔奖,那是给你的。”在美国的家里,黄美芸告诉高锟。

“给我的?哦……挺好的。”这位华裔科学家面无表情地说。

事实上,76岁的高锟早在5年前就已患上了阿尔茨海默氏症(老年痴呆)。这几年,除了几条简短的消息偶尔透露一下他的病情外,这位被誉为“光纤之父”的老人几乎淡出了人们的视野。每天,他只是和妻子打网球,去健康中心和其他老人一起运动手脚。

随着病情的发展,高锟的记忆力、表达能力逐渐下降,平时的言谈举止像小孩一样。帮黄美芸洗完菜后,他会扭头向妻子邀功:“你看,我做好了。”而黄美芸也笑着鼓励他:“做得不错”。

一片喧嚣之中,只有高锟本人是平静的。面对不同媒体的镜头,高锟总是穿着一件红色的线衫,浅浅地微笑着。“我实在不是一个太有趣的人,没有什么大喜大悲,一直以来都太过平稳。”他曾这样总结自己。

我只是一个平凡的人,并没有做了不起的事

高锟发明了光纤通信,为人类文明做出了划时代的贡献,但他却一点也没有大科学家的架子。

有人回忆,高锟就像住在你家隔壁的邻居叔伯,非常平实,不认识他的人,根本看不出来他是有名的大科学家。而且高锟对人非常亲切,整天笑咪咪的,虽然总是表现出绝佳的绅士风度,却又不会因为这种风度而给人距离感。

高锟于1970年应香港中文大学邀请担任电子系教授及讲座教授,1987年至1996年出任香港中文大学第三任校长,据学生回忆,高锟平易近人,笑容可亲,而且非常热心。他不但是一位出类拔萃的科学家,还是一位谦虚和善的老师。

获得诺贝尔物理学奖时,高锟因患上老年痴呆症,对于自己造福世人的科学研究和“光纤之父”的称誉,已经没有多少感觉了。当问他是不是光纤之父时,他早已忘得一干二净。只有当被问到爱不爱太太时,他回答到:“是啊,她很好呢!”

记得有一次他在接受媒体采访时曾这样说:

我是一个平凡的人,我在做光纤实验时,觉得是一个科学家应该做的事,并不是什么了不起的事。

正是这样一个伟大而朴实的人改变了世界,改变了人类的生活。敬悼高锟教授!

波澜壮阔光纤通信简史

以下是一部光纤通信简史,记录了科学先驱们不断奋斗,历经无数挫折与失败,将人类一步步推进高速信息时代。

历经115年,人类发明了光纤

1841年,Daniel Colladon和Jacques Babinet,这两位科学家演示了一个实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后将光照入水流中,光居然被弯弯曲曲的水俘获了:光沿着水桶流出的细流传输,顺着弯曲的水流前进。

这一现象叫光的全内反射作用,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。

这就是光纤通信的基本原理——光的全内反射原理。

随后,人类将光的全内反射原理应用于玻璃棒来传导光,并得到了实际应用,比如牙科医生用弯曲的玻璃棒来把灯光导入病人的口腔为手术照明。

但此时光的全内反射原理仅用于短距离传播领域,要解决光导长距离传输必须将玻璃棒拉成十分坚固和柔韧的玻璃纤维。

直到1887年,一位叫Charles Vernon Boys的英国科学家,将一根加热的玻璃棒放在弩上,当玻璃棒熔化,扣动扳机,在实验室里拉出了一道长长的玻璃纤维。

玻璃光导越来越细,成为了光纤,人类又前进了一大步。

可实验终归是实验,要迈出下一步,人类又足足等了50年。1938年,美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司终于可以生产玻璃长纤维了。

可这个时候生产的光纤是裸纤,光纤的传播是利用全内反射原理,全内反射角由介质的折射系数决定,裸纤会引起光泄漏,光甚至会从粘附在光纤上的油污泄漏出去。

怎么办?这个问题人类又探索了13年。

1951年,光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。有了概念,就开始试验。有人试图用人造黄油作为包层,但不实用。也有人也想到了蜂蜡和塑料,比人造黄油好多了,但仍然不实用。

1956年,密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤,他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

自此,玻璃包层很快成为标准,塑料包层也相继出现。光纤正式诞生了,接下来就该光纤通信登上历史舞台了。

开创光纤通信时代

1960年代,电话公司普遍预测即将到来的可视电话会大幅增加网络带宽需求,电信工程师们开始探索更大容量的网络传输方式。随着第一台激光器问世,加之光纤的发明,工程师们将目光聚集在利用激光器加光纤的光纤通信方式。

工程师们经过无数次试验,但发现大量的光被玻璃吸收,光在玻璃中会严重衰减,传播损耗太大,光纤根本无法实现远距离通信。

有人已经放弃了,但总有些人不肯轻言放弃,年轻的英籍华人工程师高锟就是这样的人。

高锟对“光在玻璃中会严重衰减”不以为然,他并不认为这是无法突破的困境,并开始积极研究光与玻璃的关系,发现光在玻璃中的衰减主要归于三大原因:玻璃分子的吸收与散射、玻璃分子结构不规则的影响、玻璃中杂质的吸收与散射。他认为若能在制造玻璃的过程中去除杂质,就有机会大幅改善光衰减。

如何去除玻璃中的杂质?高锟探访了全世界许多知名的玻璃制造公司,但大部份公司都只对生产艺术玻璃感兴趣,并不愿研究如何提高玻璃的透明度,甚至有人质疑减少杂质与降低光衰减之间的关联性,或根本认为很难制造出杂质含量极低的玻璃。虽然大家都不看好,但在高锟锲而不舍的努力下,终于找到一种在制造过程中利用高温让杂质离子气化的极低杂质石英玻璃,并对光衰减进行了反覆测量

高锟终于得出了一个光纤通信史上突破性的结论:损耗主要是由于材料所含的杂质引起,并非玻璃本身。高锟大胆的提出:光束在高纯度的光纤中传播至少500米时,还有10%的能量剩余。

1966年7月,高锟就光纤传输的前景发表了具有历史意义的论文。该文分析了造成光纤传输损耗的主要原因,从理论上阐述了有可能把损耗降低到20dB/公里的见解,并提出这样的光纤将可用于通信。

你是在开玩笑吧? 很多人,括相关领域的专家们,都认为这简直是天方夜谭。

高锟没有被嘲笑击倒,他像传道士一样到处推销他的信念,远赴日本、德国,甚至美国大名鼎鼎的贝尔实验室。

对于自己相信的东西,高锟很固执。

也许正是出于这样的“固执”,高锟的论文消除了学术界、工业界的疑虑,证明了光导纤维传输信息的可行性,大家马上就跟上来了。

随后,工业界投入人力和财力,科学家、工程师全力以赴,开始根据高锟的理论对光纤通信进行研发。

很快,四年以后,美国康宁公司真的拉出了20dB/公里的光纤。康宁公司第一个实现了与理论一致的结果,并突破了高锟所提出的每公里衰减20分贝(20dB/km)关卡,证明光纤作为通信介质的可能性。

与此同时,使用砷化镓(GaAs)作为材料的半导体激光(semiconductor laser)也由贝尔实验室发明出来,并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。

至此,光纤才真正开始应用于光纤通信,正式揭开光纤通信大发展的序幕…

1972年,传输损耗降低至4dB/km。

1973年,我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信。

1974年,美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法 — CVD法(汽相沉积法),使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。

1976年,贝尔实验室在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统,采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在地下渠道中诞生。与此同时,日本电报电话公司开始了 64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验,并研制成功 1.3微米波长的半导体激光器。

1978年,我国自行研制出通信光缆,采用的是多模光纤,缆心结构为层绞式。

1979年,日本电报电话公司研制出 0.2db/km的极低损耗石英光纤(1.5微米)。

1980年,第一个商用的光纤通信系统问世,采用波长800奈米(nanometer)的砷化镓激光作为光源,传输的速率(data rate)达到45Mb/s(bits per second),每10公里需要一个中继器增强信号。

紧接着,第二代的商用光纤通信系统也问世了,采用波长1300奈米的磷砷化镓铟(InGaAsP)激光。

第三代,第四代,第五代….

如今,高清视频、AR/VR、车联网等应用对网络容量和时延需求越来越高,光纤通信犹如通信网络的血脉,正承载着人类迈进万物智联的5G时代。

世界已进入全光纤时代,而高锟则在2009年获得了诺贝尔物理学奖,被尊称为”光纤之父“。

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