物理

2009年諾貝爾物理獎得主 光纖之父──高錕

他的記憶力有些衰退,行動及反應日漸遲緩,看起來與一般罹患阿茲海默症的老人無異,但人們心中永遠記得的,是他所發明的光纖為社會與科技做出的重大貢獻,以及當年擔任美國國際電話電報公司科學行政總裁與香港中文大學校長時的意氣風發。

撰文/李名揚

物理

2009年諾貝爾物理獎得主 光纖之父──高錕

他的記憶力有些衰退,行動及反應日漸遲緩,看起來與一般罹患阿茲海默症的老人無異,但人們心中永遠記得的,是他所發明的光纖為社會與科技做出的重大貢獻,以及當年擔任美國國際電話電報公司科學行政總裁與香港中文大學校長時的意氣風發。

撰文/李名揚

小檔案
■1933年出生於中國上海
■1949年隨父母遷居香港
■1953年赴英留學
■1957年進入英國標準電話與電報公司工作
■1965年獲得倫敦大學電機博士學位
■1966年發表論文〈介電波導管的光波傳送〉
■1970年擔任香港中文大學電子系主任
■1974年到美國ITT總公司工作
■1987年擔任香港中文大學校長
■1996年獲得日本獎,同年從香港中大退休,成立高科橋顧問公司
■2009年獲諾貝爾物理獎

近日雲端計算喊得震天價響,它能透過網路,把原本在個人電腦上進行的運算、儲存等功能,全部交給遠處的超級電腦來處理,這不只需要網路,還需要能傳送大量資訊的光纖,而發明光纖的人,就是今年的諾貝爾物理獎得主高錕。


時間回溯到1966年,時年33歲的高錕任職於美國國際電話電報公司(ITT)的英國子公司標準電話與電報公司的標準通訊實驗室,在投身光通訊研究計畫三年之後,高錕於該年7月在《英國電機工程師學會學報》上發表了重要的論文〈介電波導管的光波傳送〉,從此開啟了光纖網路的新紀元。


打造資訊高速公路

在1959年雷射發明之前,長程通訊最熱門的研發方向是以「環形波導管」(銅線環繞的空心管)傳送微波訊號。由於紅外光雷射的頻率比微波高100萬倍,代表在同一時間內能傳送的訊息量是微波的100萬倍,因此雷射發明之後,電訊業者非常希望能用紅外光雷射來傳送訊號。


不過傳送光訊號有一項難以突破的障礙:無法長程傳送,這使得多數研究者對光通訊的研究興趣缺缺。傳送光訊號最好的方法是利用相鄰不同折射率物質所產生的全反射特性,讓光在玻璃中前進;然而光在玻璃中的衰減非常嚴重,訊號根本傳不遠。


但是高錕卻在不疑處有疑,對於「光在玻璃中會嚴重衰減」這件被視為理所當然的事非常不以為然,他並不認為這是無法突破的困境,因此從1963年加入標準通訊實驗室的光通訊研究計畫後,就開始積極研究光與玻璃的關係。他發現光在玻璃中的衰減主要來自於三項因素:玻璃分子的吸收與散射、玻璃分子結構不規則的影響,以及最主要的因素──玻璃中雜質的吸收與散射。他認為若能在製造玻璃的過程中將雜質去除,應該有機會大幅改善光衰減的情形。


這項研究並不容易進行,一個困難是如何減少玻璃中的雜質,另一個困難是如何測量光衰減的變化。高錕探訪了全世界許多知名的玻璃製造公司,大部份公司都只對生產藝術玻璃有興趣,而不願研究如何提高玻璃的透明度;也有人質疑減少雜質與降低光衰減之間的關聯性,或根本認為很難製造出雜質含量極低的玻璃。雖然大家都不看好,但在高錕鍥而不舍的努力下,終於找到一種在製造過程中利用高溫讓雜質離子氣化的極低雜質石英玻璃。


將這種石英玻璃製造成很細的纖維後,就要進行測量。由於樣品纖維的長度不長,光訊號在樣品中的衰減量大約只有0.1%,而在不同樣品中的差異又只有衰減量的0.1%,可以想像要測量出其中的差異有多麼困難。在想盡一切辦法之後,高錕的團隊終於製造出極精密的光線測量儀,可以對樣品中的光衰減進行反覆測量,透過大幅增加測量次數的方式,來找出不同樣品中極微小的光衰減差異。


最後高錕在1966年發表了那篇影響極為深遠的論文,確認了玻璃中雜質減少與光衰減之間的關係,讓世人知道「以玻璃傳送光訊號」絕對是一件做得到的事。


但是通訊業界對這篇論文的反應並不熱烈,因此高錕又展開另一項努力:向可能對此有興趣的公司宣傳光纖的可行性及發展優勢,並設法將實驗室中的成果落實為產品。他相信唯有集合眾人之力,才能使光纖通訊技術大步向前邁進。


過了四年,美國康寧公司(Corning)終於在1970年首先開發出可以量產的光纖產品,訊號衰減情形約為每公里20dB(見左方〈以分貝數計算訊號衰減〉),這樣的訊號衰減程度大約與銅線相當,已經可以實用化;到了1982年,康寧公司又開發出訊號衰減只有每公里0.15dB的光纖,也就是我們現在普遍使用的光纖,此後,全世界終於進入光纖時代,而高錕則被尊稱為「光纖之父」。


像鄰居一樣親切的大科學家

雖然獲得了這麼高的成就,高錕卻一點也沒有大科學家的架子。早在20多年前就曾邀請高錕來台灣參加研討會的光電科技工業協進會董事長石大成表示,高錕就像住在你家隔壁的鄰居叔伯,非常平實,不認識他的人,根本看不出來他是這麼有名的大科學家。而且高錕對人非常親切,整天笑咪咪的,雖然總是表現出絕佳的紳士風度,卻又不會因為這種風度而給人距離感,他認為這應該與高錕中學就接受香港天主教學校的英式教育、後來又去英國接受大學教育有關。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第94期12月號】