高錕并非光纖之父?看光纖技術的前世今生
訊石光通訊網
2009/10/14 9:15:03
2009年諾貝爾物理學獎被授于了高錕（Charles K. Kao），Willard Boyle和George Smith三位物理學家。第二張圖片是關于2009年諾貝爾物理學獎評獎科學背景文章的第一頁，所謂“背景”說白了就是，某某人因為什么方面的成就而得獎。Two Revolutionary Optical Technologies（兩個革命性的光學工業技術），從標題不難看出，今年評委們似乎關注起光學技術來了。
高錕先生的得獎理由是"for groundbreaking achievements concerning the transmission of lightin fibers for optical communication"，簡單的講就是他在光通信領域取得了突破性的成就。我們再來看一下另外兩位的得獎理由，"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith發明了CCD，在當今的數碼成像設備中都可以找到它，無論是價值不菲的單反相機還是不足百元的USB攝像頭，它們的成像原理其實都是一樣的。
對比一下這兩段得獎理由不難看出，光纖并不是高錕先生發明的，“光纖之父”這一稱號對于高錕先生似乎不太適合。一般認為，高錕先生是“光纖通信之父”而非“光纖之父”。那被稱為“光纖之父”的人到底是誰呢？經過查閱相關資料，筆者發現原來是一位印度裔的科學家Narinder Singh Kapany。
在現代社會中，光纖得到了極為廣泛的應用，比如我們最熟悉的通信光纖，在醫院做胃部檢查時使用的胃鏡，甚至街邊小販叫賣的玻璃絲光纖玩具，這些用途完全不同的物品，它們所基于的原理卻是相同的——光的全內反射現象。這個名詞可能讓您感覺費解，沒關系，文章最后筆者將用最直白的方式來說明這一現象。
纖維光學其實是一種非常簡單又非常古老的技術，說其簡單您目前可能還無法認同，不過，要說其古老，這還要從1840年說起。1840年左右，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet幾乎是同一時間最先在巴黎提出可以依靠光折射現象來引導光線的理論。
到了1870年，英國物理學家John Tyndall在其出版的書籍中寫到，全內反射特性是光的自然屬性，同時還進一步說明了，光線從空氣射入水中以及從水中射入空氣時的不同，他指出，當光線由水中射入空氣時，如果角度大于48度（與法線之間的夾角，這一角度的精確值是48°27'），那么光線將無法“逃出”水面，光線會在界面處被完全反射。
發現光可以在“光纖”中傳輸的這一特性后，最初利用這一特性的實際應用出現在1920年左右，但那時科學家們的主要研究方向是通過光纖進行圖象傳輸。具體的應用比如醫學窺鏡，用于軍事的可彎曲潛望鏡，甚至應用于早期的電視中，但最初的玻璃纖維在光纖傳輸方面的表現確實難以讓人感到滿意。比如每當光纖“對接”或光纖界面受損時，光纖中的光就“消失”了，另外，光在傳輸中的損失也很嚴重。
隨著時間的推移，在光纖發展史上的一個重大突破出現在1950年左右，那時，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了帶有包層的光纖，這使得圖像在光纖中的傳導表現大大提升。N.S. Kapany所展示的光纖與我們今天使用的光纖在結構上可以說是一樣的。當今的光纖其核心部分有兩層結構，最中心部分是纖芯，是一根極細的且折光率稍高的玻璃，在纖芯周圍的是包層，覆蓋著的也是一層玻璃，只不過這層玻璃的折光率要略低于纖芯。正如我們前面所說的，這一結構在“全內反射”效應的作用下，光線的傳輸就這樣實現了。應該也正是因為這一突破性的成就，N.S. Kapany被人們稱為是“光纖之父”。
即使歷史發展到此時，人們似乎依然沒有打算把光纖應用于通信領域的想法，科學家們始終在致力于提升光纖傳輸圖像的表現。1956年，又一個標志性的產品誕生了——可彎曲的光纖內窺鏡。在研制內窺鏡的過程中，同是這個研究組的成員Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃為包層的光纖。光纖發展至此，無論在結構上還是在材質構造上，與當今我們使用的光纖基本上已經完全一樣了。
終于在1963年，日本科學家西澤潤一提出了使用光纖進行通信的概念，此外，他發明的一些技術，例如激光二極管（laser diode ），對光纖通信的發展起到了非常大的推進作用。在1964年他發明了漸變折射率光學纖維（graded-index optical fiber），這種光纖使用半導體激光器在一個通道中可實現低損耗的長距離傳輸。
在20世紀60年代初期，高錕先生開始研究如何將光纖作為通信介質，他指出，衰減率的產生除了是因為玻璃本身含有雜質以外，更重要的是因為光纖本身的一些根本物理效應。這一研究結果于1966年發表，并首次提出，建議使用玻璃纖維來實現光通信。這一概念（尤其是實現光通信的基礎結構和材質方面的觀點）很大程度上描繪了當今的光纖通信概貌。
在1966年，高錕先生首次提出當玻璃纖維的衰減率低于20dB/km時，光纖通信即可成功。但是當時的光纖制造技術對于衰減率的控制僅能達到1000dB/km。在接下來的研究中，高錕指出，高純度的石英玻璃是制造可用于實現光通信的光纖的首選材料。后來人們認識到，高錕的這些觀點對未來整個通信產業所起到的影響是革命性的。
在光通信發展的歷史中，高錕先生扮演過很多重要的角色，為了能讓更多人認識到光通信技術的重要性，他不僅奔走于工程界，甚至還奔走于商業領域，他拜訪過著名的貝爾實驗室，也去過單純的玻璃加工廠，為了改進光纖加工工藝，他與不同的人們包括工程師，科學家，商人等進行探討。
1970年，康寧公司最先生產出了衰減率低于20dB/km光纖成品，成品達到了17dB/km的衰減率。幾年后，他們就生產出了衰減率僅為4dB/km的光纖，如此低損耗的光纖被應用于電信領域，同是也使互聯網（INTERNET）的發展與普及成為可能。
光纖從最初的理論概念到真正可實現光通信的產品前前后后經歷了100多年的時間。當100多年前的科學家們發現并論述光的種種特性時，也許很難想到就是這些特性在近代使人類的溝通方式發生了革命性的改變，以至于深遠地影響了整個人類社會的發展進程。
我們再來看一下今年獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家，沒有高錕先生的研究成就也許就不會有我們今天人人都在使用的互聯網，光纖通信所解決的問題其實非常簡單——遠距離高速傳輸海量數據，但沒有它，長途通信和互聯網（Internet）將只會是個空想。如果CCD沒有被發明，那我們的生活中可能將只有文字，我們還將生活的膠片時代，數碼相機，手機的拍照功能也將只會是空想。
想知道什么是光的“全內反射”現象？如果您感興趣，請點擊下一頁，筆者將用最直白的方式向您描述這一光學現象。
好，筆者現在就來說一下什么是光的“全內反射”現象了，不過在這之前筆者還必須跟您說一下什么是“折射率”，這兩個概念十分重要，因為光纖實際上就是基于這兩種現象工作的。
某種介質的折射率等于光在真空中的速度除以光在介質中的傳播速度，我們都知道光在真空中的傳播速度是最快的，像水，雖然是透明的，但光在其中的傳播速度相對于在真空中要慢一些。根據科學家們的研究，比如水，它的折射率為1.33?？茖W家們稱具有較高折射率的介質為“光密介質”，而具有較低折射率的介質為“光疏介質”。
明白了什么是“光密介質”與“光疏介質”，筆者再來說“全內反射”您就很好理解了。當光線經過兩個不同折射率的介質時，部分光線會在介質的界面處發生折射，也就是說這部分光線“逃出”了原先的介質，進入了另一種介質中，而其余的光線則會在原先介質的界面處被反射，也就是說這部分光線并沒有“逃出”當前的傳輸介質。但是，當入射角大于一定角度時，光的折射現象就消失了，不會再有光從當前介質中“逃出”，而是在介質的界面處所有光線都會被反射回來，這一現象就是全內反射現象。
在上圖中，n1代表“光密介質”，n2代表“光疏介質”，紅藍光線僅作分別之用，并不代表不同顏色光線的光學情況。當紅線以小角度射入介質時，光線會發生折射和反射兩種現象，但當藍線以大角度射入介質時，折射就消失了，此時只會發生反射。您可能會有疑問，真會這樣嗎？有圖有真相，不信請看下圖：
上圖幾乎是與海龜水平高度拍攝的，我們的視線與水面幾乎平行，這時的水面看起來就像是面鏡子，所以我們看到了海龜的倒影，但如果您能有機會游到海龜的下方再看水面，那時的情形就完全不同了，海龜的倒影會變淺甚至消失掉，水平也不再會是一面優質的“鏡子”。
上圖就是我們在日?？梢砸姷降囊环N光纖，光線由一端射入，在轉了數圈后從另一端射出，光在整個光纖中傳輸時雖然有所泄漏（左側接頭部分比較紅），但同時也說明光的傳輸是可控的。那么，光線在光纖中是如何前進的呢？請看下圖：
不管這個透明的“玻璃棒”是用什么材質做成的，有一點可以肯定，它的“折射率”一定大于1，而空氣與真空的折射率相同，都是1，所以當激光束以大角度（大于臨界角）射入玻璃棒時，光束產生了全內反射現象，光束就是這樣被反射來反射去，直至到達光纖的另一端。
最后，為大家介紹一款可以被稱為是始祖級“光內反射演示器”的演示裝置。Daniel Colladon在1842年發表的一篇名為《光線反射于一個拋物線形狀的水柱內》的文章中首次描述了“光導管”裝置（light fountain 或 light pipe），在1884年，Daniel Colladon制造了這臺“始祖級的光內反射演示器”。在這個演示情景中，水是“光密介質”，空氣是“光疏介質”光在“全內反射”效應的作用下被引導入了下面的水盆中——光的前進路線“彎曲”了。
來源：太平洋電腦網
高錕先生的得獎理由是"for groundbreaking achievements concerning the transmission of lightin fibers for optical communication"，簡單的講就是他在光通信領域取得了突破性的成就。我們再來看一下另外兩位的得獎理由，"for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith發明了CCD，在當今的數碼成像設備中都可以找到它，無論是價值不菲的單反相機還是不足百元的USB攝像頭，它們的成像原理其實都是一樣的。
對比一下這兩段得獎理由不難看出，光纖并不是高錕先生發明的，“光纖之父”這一稱號對于高錕先生似乎不太適合。一般認為，高錕先生是“光纖通信之父”而非“光纖之父”。那被稱為“光纖之父”的人到底是誰呢？經過查閱相關資料，筆者發現原來是一位印度裔的科學家Narinder Singh Kapany。
在現代社會中，光纖得到了極為廣泛的應用，比如我們最熟悉的通信光纖，在醫院做胃部檢查時使用的胃鏡，甚至街邊小販叫賣的玻璃絲光纖玩具，這些用途完全不同的物品，它們所基于的原理卻是相同的——光的全內反射現象。這個名詞可能讓您感覺費解，沒關系，文章最后筆者將用最直白的方式來說明這一現象。
纖維光學其實是一種非常簡單又非常古老的技術，說其簡單您目前可能還無法認同，不過，要說其古老，這還要從1840年說起。1840年左右，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet幾乎是同一時間最先在巴黎提出可以依靠光折射現象來引導光線的理論。
到了1870年，英國物理學家John Tyndall在其出版的書籍中寫到，全內反射特性是光的自然屬性，同時還進一步說明了，光線從空氣射入水中以及從水中射入空氣時的不同，他指出，當光線由水中射入空氣時，如果角度大于48度（與法線之間的夾角，這一角度的精確值是48°27'），那么光線將無法“逃出”水面，光線會在界面處被完全反射。
發現光可以在“光纖”中傳輸的這一特性后，最初利用這一特性的實際應用出現在1920年左右，但那時科學家們的主要研究方向是通過光纖進行圖象傳輸。具體的應用比如醫學窺鏡，用于軍事的可彎曲潛望鏡，甚至應用于早期的電視中，但最初的玻璃纖維在光纖傳輸方面的表現確實難以讓人感到滿意。比如每當光纖“對接”或光纖界面受損時，光纖中的光就“消失”了，另外，光在傳輸中的損失也很嚴重。
隨著時間的推移，在光纖發展史上的一個重大突破出現在1950年左右，那時，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了帶有包層的光纖，這使得圖像在光纖中的傳導表現大大提升。N.S. Kapany所展示的光纖與我們今天使用的光纖在結構上可以說是一樣的。當今的光纖其核心部分有兩層結構，最中心部分是纖芯，是一根極細的且折光率稍高的玻璃，在纖芯周圍的是包層，覆蓋著的也是一層玻璃，只不過這層玻璃的折光率要略低于纖芯。正如我們前面所說的，這一結構在“全內反射”效應的作用下，光線的傳輸就這樣實現了。應該也正是因為這一突破性的成就，N.S. Kapany被人們稱為是“光纖之父”。
即使歷史發展到此時，人們似乎依然沒有打算把光纖應用于通信領域的想法，科學家們始終在致力于提升光纖傳輸圖像的表現。1956年，又一個標志性的產品誕生了——可彎曲的光纖內窺鏡。在研制內窺鏡的過程中，同是這個研究組的成員Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃為包層的光纖。光纖發展至此，無論在結構上還是在材質構造上，與當今我們使用的光纖基本上已經完全一樣了。
終于在1963年，日本科學家西澤潤一提出了使用光纖進行通信的概念，此外，他發明的一些技術，例如激光二極管（laser diode ），對光纖通信的發展起到了非常大的推進作用。在1964年他發明了漸變折射率光學纖維（graded-index optical fiber），這種光纖使用半導體激光器在一個通道中可實現低損耗的長距離傳輸。
在20世紀60年代初期，高錕先生開始研究如何將光纖作為通信介質，他指出，衰減率的產生除了是因為玻璃本身含有雜質以外，更重要的是因為光纖本身的一些根本物理效應。這一研究結果于1966年發表，并首次提出，建議使用玻璃纖維來實現光通信。這一概念（尤其是實現光通信的基礎結構和材質方面的觀點）很大程度上描繪了當今的光纖通信概貌。
在1966年，高錕先生首次提出當玻璃纖維的衰減率低于20dB/km時，光纖通信即可成功。但是當時的光纖制造技術對于衰減率的控制僅能達到1000dB/km。在接下來的研究中，高錕指出，高純度的石英玻璃是制造可用于實現光通信的光纖的首選材料。后來人們認識到，高錕的這些觀點對未來整個通信產業所起到的影響是革命性的。
在光通信發展的歷史中，高錕先生扮演過很多重要的角色，為了能讓更多人認識到光通信技術的重要性，他不僅奔走于工程界，甚至還奔走于商業領域，他拜訪過著名的貝爾實驗室，也去過單純的玻璃加工廠，為了改進光纖加工工藝，他與不同的人們包括工程師，科學家，商人等進行探討。
1970年，康寧公司最先生產出了衰減率低于20dB/km光纖成品，成品達到了17dB/km的衰減率。幾年后，他們就生產出了衰減率僅為4dB/km的光纖，如此低損耗的光纖被應用于電信領域，同是也使互聯網（INTERNET）的發展與普及成為可能。
光纖從最初的理論概念到真正可實現光通信的產品前前后后經歷了100多年的時間。當100多年前的科學家們發現并論述光的種種特性時，也許很難想到就是這些特性在近代使人類的溝通方式發生了革命性的改變，以至于深遠地影響了整個人類社會的發展進程。
我們再來看一下今年獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家，沒有高錕先生的研究成就也許就不會有我們今天人人都在使用的互聯網，光纖通信所解決的問題其實非常簡單——遠距離高速傳輸海量數據，但沒有它，長途通信和互聯網（Internet）將只會是個空想。如果CCD沒有被發明，那我們的生活中可能將只有文字，我們還將生活的膠片時代，數碼相機，手機的拍照功能也將只會是空想。
想知道什么是光的“全內反射”現象？如果您感興趣，請點擊下一頁，筆者將用最直白的方式向您描述這一光學現象。
好，筆者現在就來說一下什么是光的“全內反射”現象了，不過在這之前筆者還必須跟您說一下什么是“折射率”，這兩個概念十分重要，因為光纖實際上就是基于這兩種現象工作的。
某種介質的折射率等于光在真空中的速度除以光在介質中的傳播速度，我們都知道光在真空中的傳播速度是最快的，像水，雖然是透明的，但光在其中的傳播速度相對于在真空中要慢一些。根據科學家們的研究，比如水，它的折射率為1.33?？茖W家們稱具有較高折射率的介質為“光密介質”，而具有較低折射率的介質為“光疏介質”。
明白了什么是“光密介質”與“光疏介質”，筆者再來說“全內反射”您就很好理解了。當光線經過兩個不同折射率的介質時，部分光線會在介質的界面處發生折射，也就是說這部分光線“逃出”了原先的介質，進入了另一種介質中，而其余的光線則會在原先介質的界面處被反射，也就是說這部分光線并沒有“逃出”當前的傳輸介質。但是，當入射角大于一定角度時，光的折射現象就消失了，不會再有光從當前介質中“逃出”，而是在介質的界面處所有光線都會被反射回來，這一現象就是全內反射現象。
在上圖中，n1代表“光密介質”，n2代表“光疏介質”，紅藍光線僅作分別之用，并不代表不同顏色光線的光學情況。當紅線以小角度射入介質時，光線會發生折射和反射兩種現象，但當藍線以大角度射入介質時，折射就消失了，此時只會發生反射。您可能會有疑問，真會這樣嗎？有圖有真相，不信請看下圖：
上圖幾乎是與海龜水平高度拍攝的，我們的視線與水面幾乎平行，這時的水面看起來就像是面鏡子，所以我們看到了海龜的倒影，但如果您能有機會游到海龜的下方再看水面，那時的情形就完全不同了，海龜的倒影會變淺甚至消失掉，水平也不再會是一面優質的“鏡子”。
上圖就是我們在日?？梢砸姷降囊环N光纖，光線由一端射入，在轉了數圈后從另一端射出，光在整個光纖中傳輸時雖然有所泄漏（左側接頭部分比較紅），但同時也說明光的傳輸是可控的。那么，光線在光纖中是如何前進的呢？請看下圖：
不管這個透明的“玻璃棒”是用什么材質做成的，有一點可以肯定，它的“折射率”一定大于1，而空氣與真空的折射率相同，都是1，所以當激光束以大角度（大于臨界角）射入玻璃棒時，光束產生了全內反射現象，光束就是這樣被反射來反射去，直至到達光纖的另一端。
最后，為大家介紹一款可以被稱為是始祖級“光內反射演示器”的演示裝置。Daniel Colladon在1842年發表的一篇名為《光線反射于一個拋物線形狀的水柱內》的文章中首次描述了“光導管”裝置（light fountain 或 light pipe），在1884年，Daniel Colladon制造了這臺“始祖級的光內反射演示器”。在這個演示情景中，水是“光密介質”，空氣是“光疏介質”光在“全內反射”效應的作用下被引導入了下面的水盆中——光的前進路線“彎曲”了。
來源：太平洋電腦網
新聞來源：訊石光通訊網