物理学基础研究演变为信息产业——高锟博士荣获2009年诺贝尔物理学奖.pdfVIP

物理学基础研究演变为信息产业——高锟博士荣获2009年

诺贝尔物理学奖

宋菲君

【摘要】本文介绍2009年诺贝尔物理学奖得主高锟的成就,这是诺贝尔物理奖第

9次奖励最终形成产业的基础研究.本文介绍了光通信技术的必威体育精装版进展,论述了物理

学的基础研究如何最终演变成巨大的信息产业并造福人类社会,并指出基础研究和

产业化间源和流的关系.

【期刊名称】《物理与工程》

【年(卷),期】2010(020)001

【总页数】8页(P1-8)

【关键词】光纤;光纤通信;掺铒光纤放大器;波分复用;信息产业

【作者】宋菲君

【作者单位】大恒新纪元科技股份有限公司,北京,100085

【正文语种】中文

2009年10月6日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2009年诺贝尔物理学奖

授予英国华裔科学家高锟(CharlesK.Kao,图1),以及美国科学家W.S.Boyle(波意耳)

和G.E.Smith(史密斯).瑞典皇家科学院说,高锟在“有关光在纤维中的传输应用于光

学通信方面取得了突破性成就”,他将获得今年物理学奖一半的奖金;Boyle和

Smith发明了半导体成像器件——电荷耦合器件(CCD)图像传感器,将分享今年诺

贝尔物理学奖另一半奖金.诺贝尔物理奖奖励有巨大影响的原创性物理学研究,但这

些物理学研究成果只有少数几项最终演变成为产业,见表1.

大家都知道,信息产业的巨大发展应归功于电线和电缆,它们起到了传输信息的功能.

用于传输信息的电磁波称为“载波”,把需传输的音频或视频信号加载到载波上去

的手续称为“调制”,载波频率通常要远高于调制信号频率.在频域中,载波本来是单

一频率,调制过程使频带加宽.如图2所示.

例如,每一路电话、每一频道的电视节目都要占据一定的频带宽度.一路标准的电话

所占据的频带宽度为4kHz,一路电视的带宽为6MHz.通信电缆能承载的电话或电

视的数量,显然和载波的频率有关,由于电缆载波频率较低,通信频道的带宽有限.此外,

金属通信电缆还容易腐蚀,敷设的费用高,到上世纪中叶,电通信已发展到了极限.在当

时,由于日常生活、工业、商业和军事的迫切需求,信息产业已呈现高速发展的势头.

信息产业涵盖了信息的产生、采集、处理、传输、接收、再处理的全过程,大容量

信息的传输无疑是信息产业的关键环节,由于信息容量的猛增,通信电缆已经成为限

制信息技术和信息产业进一步发展的瓶颈.

光波也是电磁波,只不过其频率远高于电子通信的载波.例如,目前最先进的“三次群”

通信电缆的频率ν＜34MHz,而波长λ=1.0μm时光波的频率为ν=3×1014Hz,高出

电信号7个数量级!科学家早就想到利用光波传输信息,并预言光通信的容量将远高

于常规电缆通信.在无限扩展的各向同性空间中,光是直线传播的,曾有许多关于大气

光通信的研究.但由于地球表面是球面,限制了光束直线传播的距离不超过数公里,加

上障碍物和气候的影响,大气光通信没有前途.光能、光信息的长途输送是一个长期

困扰科学家和工程师的难题.

早在1870年,物理学家J.丁铎尔就做过光线在一个抛物线状的水流中传播的实验,

由于水的折射率高于空气,根据光学中的“全反射”效应,光线在水流中多次反射,并

随着水流传播,可以说,丁铎尔的水流就是最原始的“光波导”.其后,模拟电磁波在电

磁波导中传播的效应,物理学家开始研究光波在光波导中传播的效应.由于介质波导

有限大小的约束,在光波导中只能传播分立的本征态,满足边界条件和周期条件,称为

“模”.图3给出圆柱型波导中的低阶模.

高锟于1933年11月4日出生在上海的一个书香门第,父亲是国际法庭的律师,祖

父是晚清著名诗人,革命家,“南社”的重要成员.1948年全家移居台湾,1949年又

移民香港.他先考入香港大学,后来又远赴英国东伦敦伍尔维奇理工学院(现英国格林

威治大学)就读.1957年,他从伍尔维奇理工学院电子工程专业毕业.1965年,在伦敦

大学下属的伦敦帝国学院获得电机工程博士学位.

上世纪60年代中期,英国A.E.Karbowiak创建了标准电信实验室(STL),不久高琨加

盟其中.正是在这一时期,高锟成为光纤通信领域的先驱.

高琨与G.A.Hockham一起,提出用单模光纤进行远距离通信的大胆设想.1966年6

月,他们在电子工程师协会(IEEE)期刊上发表文章[1],详细分析了光波在圆柱形波导

——光纤中的传播,深入讨论了介质中与光波传