高錕諾獎演講：《古沙遞捷音》| 經典重溫
高錕（1933.11.4 -2018.9.23）。圖片來源：諾獎官網
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2018年9月23日，中秋節前一天，光纖通信專家、2009年諾貝爾物理學獎得主高錕
（Charles Kuen Kao）
在香港逝世，享年84歲。高錕1933年出生於上海，1948年移居香港，1954年赴英國讀書，1957年從伍爾維奇理工學院電子工程專業畢業。1965年，高錕在倫敦大學下屬的倫敦大學學院
（UCL）
獲得電機工程博士學位。1964年，高錕提出在電話網路中以光代替電流，以玻璃纖維代替導線。1966年，高錕發表了題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文，開創性地提出只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃製作光學纖維，從而降低訊號傳送的損耗。這一研究被認為代表了光纖通信的誕生。
1971年，世界上第一條1公里長的光纖問世。今天，「以玻璃光纖為介體的通信系統已經在全球建立，億萬公里長的玻璃光纖電纜鋪設在地下和海底」，使得全球信息的流動暢通無阻。
2009年，高錕因在「光在纖維中的傳輸以用於光學通信的突破性貢獻」分享諾貝爾物理學獎。
因患有阿爾茨海默症，高琨未能親自發表獲獎演講，太太黃美芸代為演說。
今天，讓我們重溫一下當時的演講，以紀念這位為人類做出卓越貢獻的科學家。
高錕諾獎演講：《古沙遞捷音》
序
非常遺憾，我丈夫高錕教授不能親自來主持這個演講。作為他的至親，我與你們站在一起向他致敬，並代替他主持這次演講。他為自己獲諾貝爾基金會肯定他的成就，並頒予他這個獎項而感到非常自豪，我們也身同感受，與有榮焉。
1966年，高錕發表了具有開創性的論文，為我們帶來了今天無處不在的光纖通信。四十三年以來，電話通信世界因此發生了巨大變化。這一偉大變革正源於高錕的執著，因為他在眾人質疑聲中仍堅持自己的信念。
黃美芸代替丈夫高琨發表演講報告。來源：諾貝爾獎官網。
20世紀70年代，玻璃光纖的預產研究出現在美國維吉尼亞州羅阿諾克市的ITT公司
（國際電話電報公司）
。在那段期間，高錕收到兩封信，一封言辭嚴厲，譴責他打開了魔瓶，釋放了瓶中惡魔；另一封來自中國一個農民，向他討教有什麼辦法可以告訴遠處的妻子給他送飯。這兩封信分別預示了一種未來的人類生活圖景，而今天這兩種圖景都已成為歷史。
60年代，我們的孩子還很小。高錕常常很晚回家，以至子女經常都要在餐桌前等著吃晚飯。我對他每天晚歸感到很生氣，我依稀記得他是這麼對我說的：
「別生氣，我們現在做的是非常振奮人心的事情，有一天它會震驚全世界的。」
我略帶諷刺地說：
「是嗎？那你會因此而得諾貝爾獎的，是嗎？」
他是對的，
他的成果給通信界帶來了一場驚天動地的革命
。
高琨（第一排右三）和孩子們在聽黃美芸的演講。
早期研究
1960年，在伍爾維奇的標準電話與電報工作了一段時間後，高錕加入了附屬英國ITT的標準電信實驗室
（STL）
。他在標準實驗室的工作，主要集中在微米波傳輸系統，目的是要改良當時通訊基礎設施的傳輸容量。35到70千兆赫的微米波可能有更高的傳輸容量，但是具體情況不明，困難巨大，因為在這樣的頻率範圍，光束會發散或被大氣吸收，無線電波無法傳輸長距離，光波需要藉波導引導。上世紀50年代，低損耗環形波導
（HE-11模）
的研究工作剛剛起步，60年代開發了一個試驗系統，投入巨額資金，積極計劃把這個系統推至預研階段，大大提高了公眾對諸如視頻電話等新電信服務的期望。
高錕加入了卡博維克博士
（Dr. Karbowiak）
領導的長距離波導研究組。他看到真實的環形波導，興奮無比。那時，他的任務是為微波和光信號尋找新的傳輸方法。他同時運用幾何光學和波動說以求更深入理解波導問題，在當時，這是一個全新的想法。其後，他上司建議他在標準實驗室工作期間同時攻讀博士學位。高錕於是在倫敦大學學院報讀博士課程，並在兩年內完成了他的論文《准光學波導》。1959年激光的發明給了電信業極大鼓舞，認為光通信很快就能實現。相干光可以成為新的信息載體，相比於點對點的微波系統，它可以提供十萬倍的信息容量。這個結論是由簡單比較它們的頻率得來：光的頻率是300太赫，微波的頻率只有3千兆赫。
光通信大有與環形波導系統爭一日長短之勢，但環形波導系統在當時仍然穩佔上風。1960年，激光技術才剛起步，全球只有數間研究所進行過一些實驗，未有足夠數據證實光通信的可行性。光通信尚未成氣候。
但高錕仍然認為激光通信具有巨大潛力。他對自己說：「我們怎麼可以斷定激光沒有作為？如果光通信僅僅停留在理論階段，那實在是太可惜了。」
他提出兩個問題：
1.紅寶石激光是否光通信的合適光源？
2.在這樣的波長範圍，有什麼物質具有足夠的透明度？
那個時候，只有兩個研究組開始從事光通信傳輸方面的研究，其它的研究組則從事固態和半導體激光器的研究。激光在光頻範圍會發出相干的輻射，但要利用相干光作為信息的載體，即使非絕無可能，也十分困難。要真正實現光通信，還有很多重要的問題需要解決。
關鍵的發現
1963年，高錕已在進行開放空間的氦氖
（HeNe）
激光傳送實驗；半導體和激光技術快速發展，令有關光通信的研究得以廣泛開展。標準實驗室的研究人員把激光遠射，發現光點不停閃動。由於大氣的波動，光點在幾個光束直徑的範圍內跳動。研究人員也進行其它實驗，以求重複或改良世界各地研究所的結果。比如說，他們進行了和貝爾實驗室類似的共焦鏡實驗：將一系列凸透視鏡以焦距相隔，排列起來。即使在夜深人靜，空氣死寂的時刻，就算每隔100米重新聚焦，光束仍不能固定在鏡片的有效孔徑內。
貝爾實驗室曾利用氣體透鏡進行實驗，但因無法絕對隔熱以穩定氣體透鏡的外形，不得不放棄實驗。這些實驗簡直是緣木求魚，無非是想找出長距離傳輸光線的方法。
在標準實驗室，研究重心逐漸轉向介電波導：用不導電的介電圓柱體，被空氣包圍，組成波導。卡博維克博士建議高錕和其它三名研究人員就他提出的薄膜波導進行研究。
但薄膜波導的研究失敗了：它對光的約束作用不足，光線在拐彎時會泄漏出來。
其後卡博維克博士移民澳洲，高錕遂出任研究計劃的領導，他隨後建議對光線在介電材料的衰減機制進行研究。
有幾位研究人員專門研究如何量度低衰減透明物質的衰減程度。George Hockham則與他一起研究介電波導的特性，因為他對波導理論感興趣，所以集中研究光纖波導的容限條件；尤其是光纖電纜的體積容限和接合點光功率衰減的程度。他們按部就班，研究玻璃纖維作為波導材料的物理和波導條件。
此外，高錕還推動他的激光研究小組同事，進行有關近紅外半導體激光器的研究，使這種激光器的發光特性配合單模光纖的直徑。單模光纖只容許單一光線或光模傳遞。激光器必須耐用，並且可以在室溫操作而無需液氮冷卻。所以，有關激光器的研究也是挑戰重重，但在20世紀60年代初期，看似不著邊際的研究還是可以得到支持的，只要耗資不是太巨大。
此後兩年間，高錕領導的研究小組努力向目標進發。對材料的物理性和化學組成，在解決新發現的電磁波問題上，他們都欠缺經驗，但仍取得可喜的進展。他們查閱文獻、訪問專家，以及向多家玻璃和聚合體材料公司搜查樣本。他們也研究有關的理論，並為進行一系列實驗制定了測量的技術。在他們設計開發出來的各種設備中，有一種是用來測量在材料內極輕微的亮度衰減，另一種則用於分階模擬實驗，以測量因機械缺陷而導致的亮度損耗。
高錕最終認定玻璃是可能的透明材料。玻璃是由亘古以來既廉價又用之不竭的沙粒做成的。
透明材料的光學損耗原因有三：（a）固有損耗；（b）外因損耗；（c）Rayleigh性散失。材料結構本身吸收紅外線，造成固有損耗，因而限制了透明區域的波長；外因損耗是由於材料不純凈；而Rayleigh性散失則是材料結構不統一，導致光子散失的結果。常見的玻璃產品如窗玻璃，因為透明度足夠一般應用，所以沒有人會深入研究至此。在與多位專家討論之後，高錕最終得出以下結論：
1.必須將所有雜質，特別是鐵、銅、錳等過渡元素，降低至百萬分一以至十億分一水平，以減少雜質損耗，但沒有人知道是否可以降低至這樣的水平。
2.高溫玻璃相對於聚合體之類的低溫玻璃冷卻較快，其分布因而較均勻，有較低的散失性衰減。
與此同時，微波的模擬實驗也宣告完成。根據其波模、其端對端偏差容限以及其直徑偏差容限，介電波導的特徵得以完整界定。理論和模擬實驗都證實該方法是可行的。
他們就此寫了一篇題為《為光波傳遞設置的介電纖維表面波導管》的論文，投到《英國電子工程師學會學報》。經過尋常的評審和修改過程，論文於1966年7月刊出──那一天現在被視為光纖通信的誕生日。
論文
論文以圓形截面光纖中模式性質的簡短討論作為開卷。
論文緊接集中討論被認定是應用光纖於通訊上的主要障礙：材料特性。那時候，即使是最透明的玻璃，損耗也高達200dB/km，這使得信號在玻璃中只能傳輸幾米──誰都知道厚玻璃是不甚透光的。
但是該論文指出，散失造成的固有損耗可以低至1dB/km，因而光訊號在實際距離上的傳輸是可能的。限制傳輸的主因是雜質：在這些波長範圍主要是二價和三價的鐵離子。引用論文中的話：「只要把鐵雜質的濃度降至百萬分之一，可以預期製造出在波長0.6微米附近損耗為20dB/km的玻璃材料。」簡而言之，只要材料夠「純凈」，幾百米厚的玻璃板也可以看穿。這一重要先見開創了光通訊的領域。
論文同時也考慮了很多其它問題：
選取適當模式，使絕大部分能量集中在光纖外部，損耗可以進一步降低。
光纖外圍應為折射率較低的包層
（這後來成為標準技術）
。光纖彎曲帶來的能量損耗在彎曲半徑大於1mm時可以忽略。
估計了橫截面不均勻帶來的損耗。
分析了單模光纖的特性。
（單模光纖現在成為長距離、大容量數據傳輸的關鍵技術。）
解釋了色散是如何限制帶寬的；並且舉出了一個10km傳輸的例子，這在1966年是一個非常大膽的例子。引用該論文總結部分的表述：
「目前，要成功利用光纖波導，取決於是否能製造出合適的低損耗電介質材料，而其中材料問題是關鍵的，雖然看似很難，但並非完全沒有辦法解決。可以肯定的是，所需要達到的20dB/km的損耗目標，比基本機制所限定的最低損耗要高出很多。」
基本上所有這些預測都準確地指出了發展的路徑，現在的技術與當時的預測相比，損耗只是百分之一，而帶寬卻是萬倍。現在看來，1966年這篇論文中的革命性建議還是過分保守了。
使世界信服
高錕於1966年2月的一次IEE會議上闡述了這篇論文的主旨，但卻沒有引起世界太多的關注──除了英國郵政局
（BPO）
和英國國防部（UK Ministry of Defense）
外，他們為此立即開展重點研究項目。到了1966年底，英國有三個研究團隊在進行相關主題的研究：標準實驗室的高錕本人、英國郵政局的Roberts及Gambling與國防部實驗室（Ministry of Defense Laboratory）
的Williams的合作隊伍。在接下來的幾年間，高錕到世界各地推廣他的構想，足跡所及之處包括；日本
（自此建立了不少持久的友誼）
、德國的研究實驗室，和荷蘭等地。他說如果沒有更多人加入，玻璃光纖的應用將不會有所發展。面對多方的質疑和批評，他有著非同尋常的堅定信念。全球的電信業非常龐大，非個人或甚至單一國家可以改變；但是，他是堅定的，他的熱情是如此富有感染力，漸漸地他改變了其它人，令他們相信他的構想。起初，專家們宣稱，根本上不可逾越的問題中，材料是最嚴重的一個。Gambling提到British Telecom早先對這個提議的態度是「有些尖刻」的。而本可輕易盡佔先機的貝爾實驗室，起先也忽視了這項提議，直至他們看到這項提議的可行性。高錕尋訪了多家玻璃製造商，遊說他們製造所需的純凈玻璃。他從康寧
（Corning）
得到了響應。由Maurer帶領的康寧團隊，第一次生產出玻璃預製棒，並發明了使玻璃光纖合乎規格的技術。
與此同時，高錕繼續致力證明，玻璃光纖在長距離光學傳輸系統中作為介體的可行性。他們面對一系列難以克服的困難，首先是對低損耗樣品的測量技術，而能夠獲得的樣品的長度只有20厘米左右。確保樣品表面完美無缺也是非常的困難，還有打磨過程中引起的端面反射損耗。在測量過程中他們面臨的困境，是要求檢測兩個樣本之間少於0.1%的損耗差別，而整段20厘米長的樣本總衰減也只有0.1%，不夠精確的測量是毫無意義的。
1968和1969年間，高博士和他在標準實驗室的同事Davies、Jones和Wright，針對上述在玻璃樣本內的亮度衰減的測量問題發表了一系列論文。在當時，名為分光光度計的測量儀器的靈敏度非常有限──只有43dB/km左右。測量工作非常困難：即使污染極微，也會造成與衰減相若的損耗，而端面效應更易糟糕上十倍。高博士和他的團隊自製了一個單光束分光光度計，其靈敏度達到21.7dB/km。而後來的雙光束分光光度計，更是將靈敏度提高到4.3dB/km。
反射效應是用自製的橢圓率計測量的。為了製造橢圓率計，他們使用等離子沉積法製造石英樣本，製造過程中的高溫蒸發了石英中的雜質離子。利用靈敏的儀器，他們測量了一些玻璃樣品的衰減，赫然發現Schott Glass公司的一種紅外硅樣品，在0.85微米左右的頻率範圍的衰減只有5dB/km！這最終證明了去除雜質可以將吸收損耗降低到可用的程度。
這是非常振奮人心的消息，因為低損耗區域正好落在鎵砷激光器的發射光譜帶中。測量結果明確指出了光纖通信的路向──小體積的鎵砷半導體激光器作為光源，低成本的包層玻璃光纖作為傳輸介體，硅或鍺半導體作為檢測器。夢想不再遙遠，這些測量結果明顯引起了研究界的興趣，研發第一個低損耗玻璃光纖波導的競賽開始了。
1967年，Maurer在康寧的化學家同事Schultz凈化了玻璃。1968年，他的同事Keck和Zimar拉出了光纖。1970年，通過外部氣相沉積法
（OVD）
，康寧使用摻鈦纖芯和硅包層，製造出在0.633微米處損耗為17dB/km的光纖波導。兩年之後，他們以摻鍺纖芯代替摻鈦纖芯，製造出一條損耗低至4dB/km的多模光纖。在遲疑不決多年之後，貝爾實驗室最終於1969年加入行列，創立了光纖研究項目。1972年，他們終於停止了在空心光波導管上的研究，他們的毫米波研究項目亦在1975年終止。
正是在這段他經常遠行出差的時期，這個卡通笑話在家中流行：
「孩子們，今早你們在餐桌上見到的那個男人就是你們的父親！」
我們見他沒幾天，他又會離開一陣子。有時他會坐飛機去參加當天在紐約ITT總部舉行的會議。我會忘記他並沒有回辦公室，還會打電話請他的秘書提醒他回家路上順路買些牛奶等雜物，他的秘書會這樣回答：
「高太太，您不知道您丈夫今天在紐約嗎？」
對世界的影響
自1976年第一代45Mb/s光纖通信系統建成以來，單根光纖的傳輸容量已經增長到原來的一百萬倍，達到幾十Tb/s。與此同時，光纖放大器和波分復用技術的發明，使數據得以在百萬公里計的光纖中傳輸。這就是光纖通信產業不斷發展的?程。
光纖通信已經完全改變了世界。整個電信系統迎來了翻天覆地的變化，國際長途電話變得非常便宜。
全新的大型光纖光學產業，包括光纜製造和設備、光器件、網路系統和設備如雨後春筍般出現。
億萬公里長的玻璃光纖光纜鋪設在地下和海底，構建了一個錯綜複雜的連接網路，而這個網路正是互聯網世界得以存在和發展的基礎。
現在的互聯網比以前的電話更加普及。我們可以上網瀏覽網頁、打電話、寫博客、觀看視屏、購物、交友。沒有光纖，上世紀90年代開始的信息技術革命便不可能發生。
從過去的幾年開始，光纖逐漸以各種方式進入家庭。更加環保的全光網路正在籌劃發展當中，光纖通信的革命還沒有結束，更可能正剛剛開始。
結束語
以光纖為本的全球通訊網路確實做到天涯若比鄰，令人與人之間關係更密切，我亦沒有必要引用技術數據來證明這一點。我們得知獲得諾貝爾獎的消息，是在加利福尼亞州的凌晨3時，來自斯德哥爾摩
（他們的早晨）
的電話，無疑是通過光纖傳輸的；幾分鐘後，來自亞洲朋友（他們的傍晚）
的祝賀信息，也是通過光纖傳輸。然而信息泛濫並不是一件好事：那晚我們不得不摘掉電話以求安睡。到目前為止，光纖通信不僅僅是科技上的進步，還為社會帶來了顯著變革。下一代人將會以不同的方式學習和成長；人們打交道的方式也將有所不同。一件產品各個部分的生產，好有可能分散在世界多個地方，為人們尤其是發展中國家的人民提供了巨大的機遇。信息的廣泛傳播，明顯帶來更多平等和參與公共事務的機會。
已經有很多人談過和寫過信息社會，我不打算多談──我只想說這一切已經遠遠超過了1966年第一次正式提出光通訊概念時的夢想，在那時，即使是1GHz，都只是一種美好的願望而已。
最後，高錕教授和我想感謝香港中文大學的教授，他們是：楊教授、黃教授、張教授和陳教授，在準備這篇演講稿時他們給予了我們莫大幫助。高錕也感謝ITT公司，在那裡他用了30年的時間發展出自己的事業，同時感謝早期和他一同投入光纖研發的同事。沒有一大群志同道合的人，這個工業便不會蓬勃發展至今天這個面貌。
高錕埋下了這顆種子，Bob Maurer為它澆水，同時，John MacChesney使它生根茁壯。
註：演講內容來自《大公報》。
光纖通信五十年，致敬高錕先生
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斯嘉麗
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