光导纤维的发明

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1、信息时代立奇功——光导纤维的发明光通信是一门既古老又年轻的科学技术。说它古老，是因为早在古代就有利用光传递信息的记录。我国的周朝，就曾经用“烽隧”来传递敌人入侵的信息，距今已三千余年。航行中利用旗语和灯光传递信息，也有几百年了。1880年发明电话的贝尔就曾经进行过光通信的实验。可见，用光传递信息远比用电传递信息的历史来得悠久，当然所有这些都只是在空气中传递光的信息。说它年轻，是因为光通信真正成为现实，还是近三十多年的事情，只是在激光器出现之后，电缆通信和无线电通信已显示出许多不足，采用光学方法代替电学

2、方法传递信息才成为当务之急。于是，以光导纤维（简称光纤）为核心的光纤通信技术就应运而生。作为一门高新科技，光纤通信可以说是物理学、化学、电子学、材料科学等学科的综合产物，在当代高新科技中具有特殊的地位。我国国家科学发展规划，把光纤通信和计算机、生物工程等项目并列为技术革命的重点，就可见其重要性。光纤通信是现代信息传输的重要方法之一。它的特点是：容量大，保密特性好，抗干扰性能强，中继距离大，节省铜材等。光纤一般是由同心圆柱形的双层透明介质，主要是石英玻璃之类的介质组成，石英玻璃实际上就是二氧化硅（SiO

3、2）。介质的内层叫纤芯，外层叫包层，纤芯的折射率高于包层，光纤拉成细丝，其直径约为数微米，包层直径为125微米。多根光纤组成光缆，结构与电缆差不多，其制造方法和环境要求也与电缆类似。值得特别向读者介绍的是，英籍华裔科学家高锟（CharlesKao）的开创性工作对这项重大课题的解决具有决定性的意义。1966年，高锟和他的合作者霍克汉（G．A．Hockham）在进行一系列理论和实验研究之后，发表了一篇著名论文，提出用光纤进行长距离通信的建议。他们预言光波导材料的衰减率有可能从当时的每千米1000分贝（即1

4、000dB／km）降低到每千米20分贝（即20dB／km），他们证明单模光纤每秒有可能传送10亿位数字信号，并论证了单模光纤的要求和特性。这两位科学家以敏锐的洞察力，勾画出了尚未出现的技术蓝图。他们认为最艰难的任务是研制损耗低于20dB／km的光纤材料。这一指标在1966年实在难以实现，但是在高锟的激励下，仅仅过了4年，就有人宣布达到了这个指标。从此，光纤通信技术蓬勃发展，而高锟和霍克汉的这篇著名论文就成了光纤通信领域的里程碑。高锟1933年生于上海，1957年获伦敦大学物理学士学位，1965年获博士

5、学位，1957～1960年任英国标准电话和电缆公司工程师，1960～1970年转到英国标准电信实验室（STL）任职。就在这里，他和霍克汉在微波技术专家卡博瓦克（T．Karbowiak）的领导下，对微波波导开展研究，并在卡博瓦克引导下，转向光波波导的研究。应该说明，纤维光学并非他们首创。大家知道，光从光密媒质（折射率大）射向光疏媒质（折射率小）时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射。光导纤维就是根据这个原理。早在1910年，著名物理学家德拜（P．Debye）和他的合作者洪德罗斯（Hondros）就对介

6、质波导做了详尽的理论分析。到了50年代，用玻璃做成可弯曲的光束管道，可以使医生能够看到人体内部，这就是所谓的内窥镜，直到现在还有广泛应用。然而，内窥镜采用的光纤是玻璃制品，其衰减率大于1000dB／km，只适用于长度不超过l～2米的仪器传光传像，根本不能用于长距离通信。即使在1960年发明了激光器之后，用激光器作光源，由于光纤的衰减率如此之大，也无法利用光纤进行长距离通信。激光器的发明使人们对历史悠久的光学刮目相看。完全有理由相信，以激光为主体的光通信时代即将到来，这一认识促使人们加强对光通信的研究。

7、当时微波已经是远距离通信，包括电视和电话的重要媒介。而微波既可经空气传送，也可经波导传输。人们很自然地想到激光也应该能够像微波那样，经空气直接传送或经空腔光学波导传输。人们普遍认为，只要把微波技术扩展到光传输，就可实现远距离光通信。例如，美国贝尔电话公司的贝尔实验室就在致力于这方面的研究，当时高容量电话系统是靠微波在一系列塔架之间从空气中传送，就像多年来一直在用的微波电视传送一样，贝尔实验室的科学家用激光器做了一个模拟器，建在新泽西州的赫尔姆戴尔（Helmdl）的主实验室和附近的克罗福德山实验室的屋顶

8、之间，经过多次试验，没有取得预期效果。他们很快发现，空气并不像看起来那样纯净，雨、雪或浓雾都能使信号强度大大衰减，例如：经过2.6km的路程信号竟衰减了60dB以上。显然，从空中直接传送光信号很难满足高容量通信的需要。贝尔实验室同时还在进行另一套试验方案。从1950年开始，微波工程师米勒（S．E．Miller）就带领一个小组在克罗福德山研制一种空腔波导，专门用于60GHz的微波（频率为60GHz的微波，其波长约为5毫米，所以也叫毫米波），这种微波在空气中