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光纤之父——高锟


□ 陈重威
英国华裔科学家高锟因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”,而与“发明了成像半导体电路”的另两位美国科学家共同获得了2009年度诺贝尔物理学奖。光纤通信一时间成了媒体和公众关注的焦点。
  
  烽火报警
  
  早在2700多年前的我国西周时期,为了防备西边部落的侵扰,在镐京城附近的骊山一带修筑了许多烽火台。如果发现西边部落来进攻,晚上就在烽火台上烧起大火,白天就在烽火台上燃烧狼粪使它冒烟,以此发出警报。相邻烽火台上的士兵见此情景,也跟着燃起大火或“狼烟”。这样,远方的诸侯就知道镐京城告急,天子有难,赶紧带领军队前来救援。“周幽王烽火戏诸侯”的故事就是这样发生的。因此,我国可以说是人类历史上最早使用光来传递信息的国家。
  19世纪70年代,一位英国科学家,做过这样一个有趣的实验:?摇他在一个容器的壁上钻了一个小孔,然后往容器里倒入大量的水,让水从小孔中流出。此时,用光照射容器内的水,他发现射入水中的光竟然随着水从小孔喷出,而且同水流一起呈弧线状落到地面,在地面上形成了一个光斑。这本是一个重大的科学发现!可在当时,并没有引起科学家们的重视。1889年,巴黎世博会上,一条条传导着光线的水流组成一道色彩缤纷的瀑布,吸引了许多人的眼球;但也仅此而已。
  20世纪30年代,希腊有一位制作玻璃器皿的工人意外地发现,光能毫无散射地从玻璃棒的一端传到另一端。这实际上已经初步揭示了光在玻璃中的传播规律。可在当时,人们也没有意识到这一发现有什么重大意义。直到1958年,光的这一传播规律才在医学领域得到了应用。由2500根细玻璃纤维制成的“胃窥镜”,能将光引到人体的胃内,使医生不用开刀,就可以看到胃里的情况。
  
  大失所望
  
  科学家发现,在水或玻璃中沿直线传播的光,遇到水与空气或玻璃与空气的交界面时,会发生反射和折射,即一部分光线返回水或玻璃中,另一部分光线则进入空气中继续传播。但当光线到达交界面时的入射角度超过某个极限值时,折射光线消失了;所有的光线都返回了水或玻璃中。科学家称这一现象为光的全反射现象。发生全反射时,原先四散奔跑的光,会被束缚在水柱或玻璃棒内,沿着“WWW”形的路径继续往前传播。照射到容器内的光能在地面上形成一个光斑,光线能从玻璃棒的一端传到另一端,就是这个道理。
  既然“胃窥镜”能让医生看到病人胃内的情况,能不能利用玻璃纤维来传递更多的信息呢?因为光是通信信号极好的载体,而且制作玻璃纤维的原材料远比铜要廉价得多;上世纪60年代,科学家几经努力,但结果却令人大失所望。问题出在光在玻璃纤维中传播时会急剧衰减。如果传播距离是1千米,光的能量就会衰减到原来的100亿分之一!这意味着北京“水立方”满满一池的水,经过一条1千米长的输水管后,将只剩下一滴水了。基于如此高的损耗,许多科学家都认为,光纤虽然可用在胃镜导管上,但用于长距离通信却根本不可能。 ......
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