神奇的光导纤维

“烽火戏诸侯”——一个妇孺皆知的故事。这是古老的“诸侯”看“烽火”。

这“诸侯”看“烽火”，一直持续了几千年：信号弹、信号灯以及船舰之间或其他场合的闪光联系等等。

这些，都是利用火光进行通信联系的例子。利用火光(或自然光)进行双向通信联系或者单向传递信号，就是“光通信”。

显然，这些光在向“四面八方”的直线传播过程中衰减很快，不易保密，不易反映复杂的通信内容。所以，这种通信技术长期“雪拥蓝关马不前”。

美国发明家贝尔(1847～1922)发明电话的故事广为人知。但是，他的另一项更重要的探索和发明，许多人就不知道了。

1880年，贝尔和他的助手们巧妙构思——用阳光来传递语言信息，发明了一种叫做“光话机”的通话装置。

这个“光话机”的发信部分，主要由一块极薄的镀银云母镜片构成，它能随着声音的大小做强弱不同的振动。通话的时候，先把镜片放到阳光能直接照射到的地方，然后对准镜片说话。这时，镜片就随着声波的变化发出或强或弱的轻微振动。这样，镜子反射的太阳光束也随之产生相应的抖动；再把这光束照到一小片硒电池上，把光信号变成电信号。最后，电信号通过电线和电话接收机相连，就复制出发话人发出的语言了。

但是，贝尔的试验没有达到预期的效果——通过“光话机”所听到的只是一片模模糊糊的、类似人声的咕噜声，而没有听到清晰的语言；同时，这次实验传输的距离仅有725米，显然没有实用价值。

然而，这部夭折的“光话机”却极大地启迪了后人对光通信的研究。

科学的发展，使人们认识到光是一种波长极短(对应于频率极高)的电磁波，因此容量特别大，很适于现代通信。

然而，用火光或像贝尔那样用自然光作为光通信的光源，是不理想的——它的亮度、频率及光束能量的集中性等都较差。因此，必须寻找一种具有更多优越性的光，才能为现代光通信开辟新的道路。在这种背景下，“光之骄子”——激光在1960年5月降生。

从此，人们就向往用激光实现高质量的通信。

最初，人们只是把激光用于空间通信。这种激光通信现在已经应用于许多短距离通信，并且将用于卫星通信和星际间的通信。

但是，由于激光波长很短，在空间传播要受到许多障碍和干扰——尘埃、云雾、雨雪等等都会对它进行散射和吸收，消耗它的能量，所以影响传输信息的质量和稳定性。另一个缺点是，谁都可以接受到这些信号，难于保密。

为了消除这些弊端，人们想到了用电线、电缆传递信息的经验，试图让激光在某种导体中通过，于是人们又开始了新的探索。

其实，早在1854年，英国物理学家丁铎尔(1820～1893)在皇家学会的一次讲演中就指出，光可以沿着盛水的弯曲管道传输。1870年，他做的一个有趣实验，就可以看成是这种探索的源头。他在一个装满水的容器的侧壁上钻上一个小孔，让水喷到地面。然后，他用光从容器上方照射水面。这时，他发现射入水中的光，竟随着水从小孔喷出并同水流一起沿着弧线落到地面，在地面上形成了一个光斑。

1927年，英国电视发明家约翰·罗吉·贝尔德首先指出，用光的全反射现象制成的石英纤维可以解析图像，并因此获得两项专利。他的这个看法被美国的豪塞尔在1929年用实验进一步(在传输电视图像上)证实。

1930年，德国人拉姆建议把弯曲的纤维集合成束状来传输光学图像。20世纪30年代，希腊的一位玻璃工人发现光能毫无散射地从玻璃棒的一头传到另一头。

从1951开始，荷兰人范赫尔进行制造柔软纤维镜的探索。

1955年，在伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，最早发明了用玻璃纤维制成的“光导纤维”——“光纤”。但它最初也只是在医学上用来改进内窥镜。大致同时，在密歇根大学工作的美国发明家劳伦斯·科蒂斯，用一根表面覆盖着玻璃的透明塑料细纤维作为胃镜来窥视胃的内部，也获得成功。前面丁铎尔观察到的现象终于得到了实际应用。

1958年，有人用2 500根细玻璃纤维试制出了医学上的内窥镜，可以伸进人的胃里作检查。此外，美国心脏收缩镜公司还用消毒过的玻璃纤维制成了支气管镜。

好，我们还是结束“向后看”，回到“消除用激光进行空间通信的弊端”这个问题上来。现在，激光发明了。于是，“光纤通信”——利用激光在光纤中(而不是在广大空间)传递信息的通信方式应运而生。

1966年，曾在英国工作过的美籍华裔科学家高锟(1933～)博士，发表了世界上第一篇有关光纤通信的论文《介质纤维表面光频波导》——他和同事何克汉在1965年写成，引起了全世界的极大重视。所以，他成了“光纤之父”。当然，光纤通信的创始人至少还应算上华人高煜、黄嘉宾等人。

那么，用什么材料来做光纤——激光的载体呢？

当然，人们首先想到了举目皆是的玻璃。

于是，在1968年，英国标准电信实验室开始了用玻璃纤维传送激光的试验。从此，两种新型激光通信系统勃然而兴。

必须说明的是，在许多人的“逻辑推理”中，细如发丝的玻璃纤维一定是容易断裂的——因为连大尺寸的玻璃制品也容易“粉身碎骨”。这种观点是完全错误的。事实上，把一根玻璃棒熔融后拉成和它长短一样的许多根玻璃纤维，一定比原有玻璃棒更能承受更大的拉力。主要用这个道理制成的物品俯拾皆是：起重用的钢绳、斜拉或悬索桥的纲缆、粗的尼龙绳。都用“多股线”制成。

但是，玻璃纤维损耗过大，信号只能在近距离传输。于是，寻找损耗小的光纤，就成为科学家们至今还在进一步探索的任务。

1970年，美国康宁玻璃公司首先采用气相沉积法，以二氧化硅拉制出长200米、光耗为20分贝／千米的石英(在地球上的储量丰富)光纤——世界上第一根对光纤通信有实用价值的单模光纤。

1968年，美国敷设了第一条光纤通信线路。

1976年，美国佐治亚州亚特兰市利用光缆通信成功，672路电话同时通话。此后，日本、法国、英国等国家都实现了光纤通信。

……光纤通信的设备一般由光源、光调制器、发射装置、传输装置、接受装置及检测、解调器等组成。

光纤由折射率高的内芯和折射率低的涂料构成，它的直径非常小，大约从几微米到100微米，连同它外面的保护涂层只有一根头发那样粗。用它承载激光完成通信，具有如下优点：轻小、强度高、易敷设，传输损耗低，材料资源丰富、成本低、系统建造费用省，不导电、不受电磁干扰、能承受恶劣环境影响。例如，它的低传输损耗，就使传输效率比电缆通信高出10亿倍以上。

光纤通信还具有特大的通信容量。用一对像头发丝那样粗细的光纤，就可以传送150万路电话和2千路电视。用它代替密如蛛网般的电信线路，可以使远隔万里的千百万人同时相互打电话、发电报，传输数据、图像、图表……假如用100多根光纤组成光缆，虽然还没有一枝普通的儿童蜡笔粗，但一秒钟内即可逐字传递200本书的内容。据人们估计，未来光纤的传送能力至少比目前增加1 000倍。

光纤的发明，带动了通信领域内的革命。特别是在互联网上，如果没有光导纤维构筑宽频带大容量的高速通道，互联网只能停留在理论的设想上。

人们还设想，未来的光纤通信将利用一种新颖的摄像机，将摄取的图像经过处理直接转换成光信号，同时声音也可以通过声——光转换器直接变为光信号。那时的电信设备可能会从通信系统中消失，电就只是作为一种能源来使用了。那时，电话、电视、电传、电报将分别变成“光话”、“光视”、“光传”、“光报”……此外，科学家一直在设想，有朝一日可以操纵分子来生产显微镜下才能看得见的机器或具有异乎寻常性能的新型材料。这一设想在2003年有了突破性进展。美国IBM公司开发了一项能使碳纳米管发光的技术，从而为新型光纤技术铺平了道路。

总之，整个通信技术将发生一次划时代的变革，一个奇妙的“光通信”——国际上称为“梦想的通信”的时代就会到来！

我们在为光纤通信这个得意之作自豪无比的时候，一个发现使我们始料不及。

在深邃海洋底部生活的低等动物海绵身上，早已武装了被人类视为高新科学技术的产品——海绵的光纤系统。它生长在海绵身体的四周，是由一些半透明薄膜构成的骨针。

过去，科学家以为这些骨针只是支撑海绵的身体和防御天敌。哪知骨针良好的导光性能，和现代光纤材料异曲同工。一生都为生存抗争的海绵，目的很简单：用自己的光纤设备，为与它们共生的绿海藻多提供一点亮光，以吸引更多的绿海藻到自己身边“安营扎寨”，从而争取到更多的藻类食物。绿海藻也有所得，它们可以从海绵的光纤那里得到自身需要的光能——要知道被阳光忘却的黑暗海底，获得能量很困难。

深海海绵既然用自己的光纤——骨针，为绿海藻提供了免费的能量——阳光，又何必将它们拒之门外呢？于是，深海海绵与绿海藻唇齿相依的共生关系，在光纤——骨针的搭桥牵线下形成了。

利用光纤，人和海绵各取所需，又是大自然——先行了一步。

利用“烽火”——激光，借得“细丝”——光纤，我们“看”到了“诸侯”——内脏的秘密，显微镜下才能看得见机器或新型材料，远方的图像、文字、声音……为了表扬高锟对人类科学界所做的贡献，中国科学院紫金山天文台在1996年将1981年发现的3464号小行星，命名为“高锟星”。而英国科学博物馆则放置了他的照片和科学成就资料。