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光纤之父·高锟自传-第9部分
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我的博士研究题目是“类光学波导”，但这个新方法其实隐藏不少困难，也没有确实的解决方案。经过两年努力，总算完成了论文和实验。我发现几何光波的成像与平面波传送相容，但线性或定点光源发出的球体或圆筒形光波却出现不确定的衍射及光波漏失。这可说是个过渡性的研究，对我掌握光波原理大有帮助。
回想起来，选定研究题目对研究生来说是十分重要的一环，所定的题目应推动研究生在既有的基础上，加深对尚待解决问题的认识，将研究的前线，推向未知的领域。在我而言，以几何光波原理解释光学现象，以及完全解释在划定空间内的电磁现象，只能在少数情况下做得到，要解决问题尚有其难以逾越的局限。必须通过具体及逻辑正确的模拟，才能建构出系统化的模式。指导教授看来了解我的艰苦研究有一定的创新性和逻辑性，因此把博士学位颁授给我。
激光的发明和半导体技术的迅速发展，令光通讯不再是纸上谈兵。1963年，我进行了开放空间的氦氖（HeNe）激光传送实验，将激光引导至若干距离外的一点上。由固定的激光发射器发出的光线直射向一段距离外的目标，十分稳定，但为什么从另一点观察，我们却仿佛觉得光在不停闪动，其直径更比原来的光线大了几倍？我们终于明白，那原因很简单，是空气的不同密度扭曲了在大气中传送的激光，在英国，潮湿的天气令大气密度更不一致，光线的闪动也因此更明显。
我们也做了不少在全球各家研究实验所都在进行的实验。比方说，我们做了共焦镜实验，将一系列焦距相同的凸透镜排列起来，其间距相等于镜片的焦距。这实验要在夜阑人静，空气死寂的时刻进行，但即使如此，每隔100米转移聚焦时，光线仍不能保持在镜片的有效孔径之内。据知贝尔实验所（Bell Labs）曾进一步利用气体镜进行实验，但因在维持气体镜形状的稳定时难以提供足够的介电作用，不得不中止实验。这些费尽九牛二虎之力的实验，无非是想找出控制光线长程传送的方法。这些研究必须进行下去，因为环形波导系统也遇上相同的难题，研究成本也很高。铺设波导系统时，只容许十分轻微的弯度，对长程传送是一大障碍。气体镜系统也没有完全被舍弃，因为当时认为这系统对直线的要求仍可以接受。书包 网 。 想看书来
Chapter06 探索光纤（6）
在标准实验所，研究重心渐转向介电体波导。卡博维克博士看来仍想绕过寻找高透明度波导物料的难题，他建议我就他提出的薄膜波导进行研究。我和一个三人工程师小组便着手测试制造薄膜波导的可行性。
根据分析，薄膜的厚度应该相等于波长的十分之一，其引导的能量应有百分之九十在薄膜之上或之下的自由空间中传送，其余的百分之十则依附于介电体中。第一项挑战是怎样做出那薄膜。进行过几次实验后，我建议将聚合体溶化在溶液内，然后将这种混合溶液滴在一种流质上。与我们实验室负责聚合体的同事商议过后，我们发觉聚碳酸酯透明度高，也可溶化在挥发性溶液中。混合溶液比水轻，因此我们可以将溶液滴在水上，让水的表面张力舒张溶液，形成一层连续不断的薄膜。这种技术后来称为超薄薄膜技术，常用于制药业。
薄膜的制造进行得很顺利和成功。我们发觉，薄膜的色泽与其厚度有关，是受光线的反射影响。因薄膜的厚度小于可见光线波长的一半，因此没有色泽。我们制造了不同的框架，用来架起薄膜。最后，我们要机械部门制成一个特别形状的框架，在捡起薄膜时，薄膜会铺张在一块倒转U字形薄片之间，框架中央有一个长方形切口。这个设计令光线可在倒U形的一条支架射进薄膜，绕过弯度，再从另一条支架透出。这样，光的射进和透出都是在同一边，只是在不同的支架而已。我们在长方形切口的两边放置一块三棱镜，用以射进和透出光线，三棱镜的底部要紧贴薄膜。
当薄膜有相当厚度时，不难看到光线从射出一边的三棱镜透射出来时，呈现多条光束形态。当薄膜的厚度减至一定程度时，只有一条光束射出。三棱镜摆放的位置，要确保光线能绕过弯角，但又不会与从射进一边的三棱镜透射进来的光线混合。
一天早上，我们用愈来愈薄的膜片进行试验。这些薄膜都透明无色，我们只能用每次将溶液稀释两倍的方法控制薄膜的厚度。但在进行试验的黑房中，出现了令我们大感惊讶的现象。光线并没有绕过弯角，而是照亮了黑房的墙壁。我们发现，光线是在转弯的时候泄漏出来的。随着弯角的弧度减少，光线辐射的角度也降低，直至弧度消失为止。我们不知道薄膜波导的厚度，弯角位置光线的辐射，除了形成一幕幕奇景外，实际上是光功率在弯角处辐射散失的警号。如果转用电缆式的波导结构，电缆就一定不能有太急太尖的弯角。我们梦寐以求的，是能保存接近百分百功率的波导结构。
我建议就光纤电缆中介电材料的衰减机制进行详细的研究，并推动激光部门的同事研制可发出波长接近红外线范围，而又吻合单束光缆直径的半导体激光。这时卡博维克博士决定移民澳洲，加入新南威尔斯大学，我成为研究计划的主持，研究队伍也增加了人手。我们设立了一个小组，研究量度低衰减透明物料的实质衰减程度。刚毕业的工程师佐治加入我们的小组，研究介电波导的特性。他对波导理论很有兴趣，我派他专注研究光纤波导的耐受性要求。我们尤其要确定光纤电缆的体积极限和接合点光功率衰减的程度。我们按部就班，求证玻璃纤维若要成为机械性能和表现上适合作为波导物料的物理和波导要求。 。。
Chapter06 探索光纤（7）
此后两年，我们努力向目标进发。在材料物理和化学中，在解决新发现的电磁波问题中，我们都欠缺经验，但仍取得可喜的进展。我们翻查文献、访问专家，以及向各家玻璃和聚合体公司搜集材料样本。我们也研究有关的理论，并为进行一连串实验订定了测量的技术。在我们设计开发出来的各种设备中，有一种是用来测量材料极轻微的光谱衰减，另一种则用于分阶模拟实验，以测量因机械缺陷而导致的纤维损耗。我们又利用以微波频率运作的特别表面波结构，确定具有不同缺陷的波导的辐射衰减。佐治后来根据这方面的工作，获得了博士学位。我的妻子美芸在电脑实验室出任科学程式员，是她编订的程式软件，帮助我们解决选定介电质波导类型的问题，以及为佐治确定辐射的特性。在现今仍有一定知名度的那篇发表于1966年的学术论文中，我忘了向她不可或缺的贡献致谢，实在不该。
透明物料的光衰减是三种衰减作用的综合结果。物料本身的吸收性衰减，限制了透明区域的波长；杂质衰减是因为物料不纯净所引致，而散失性衰减则是物料结构不统一的结果。因为日常的玻璃用品，如玻璃窗、饰物和厨具等，透明度已足够，在我们展开光纤用途研究之前，没有人研究过玻璃的透明度问题及其限制。我向多位专家请教过，得出以下结论：
1。 将所有不纯元素，特别是铁、铜、锰等过渡元素，消减至1比100万至1比10亿的水平，以降低杂质衰减的损耗。但没有人做过任何实验，证实不纯净水平下降是否会令衰减程度相应减少。
2。 高温玻璃在高速冷却下，相对于聚合体之类的低温玻璃，应有较少的微组织，其非均质电子的分布也较平均。低温玻璃的散失性衰减也较高。
我们面对两个难题的挑战。其一是低衰减物料的测量技术，这些物料只能有20厘米左右的长度。如果将物料制成纤维，确保其表面平滑无瑕十分困难。其次是终端表面反射衰减。打磨过程可以改变光滑物料的反射衰减。但在进行测量时我们面对的困难，是要量度两个样本之间少于的衰减程度差异，而整段20厘米长样本的总衰减只是。进行这样的测量可以说近乎毫无意义。我们最后造出两个光线测量仪，如果反射衰减每次均可重复的话，就可以提供合理的量度数据。
我们很幸运，找到一些用负离子沉淀法制成的石英玻璃样本。因为在制造过程中使用高温，带杂质的离子都给蒸发，形成纯净的石英玻璃。利用这些样本进行测量，可以证明消除杂质可以降低吸收性衰减的理论。但我们注意到，因为湿化学品测试中杂质水平太高，难以进行高温玻璃的纯净度分析。
与此同时，微波模拟实验也已经完成。根据其波模、其端对端错配及纤维直径波动的尺寸偏差极限，全面确定了介电波导管的特性。所有理论和模拟实验所得的结果，都显示有关的理论基础是可行的，而实验结果也提供了实证的根据。我们写成题为《介电波导管的光波传送》，提交英国电机工程师学会学报。经过例行的评审程序，论文在1966年7月出版的学报上发表，这也被定为光纤通讯的诞生日子。
论文评审原来是邮政研究中心的总监。他很有兴趣跟进我们的工作，并提议立即在研究中心设立发展光纤的重点研究计划，以及与标准实验所签订合约，以推动光纤的发展。最近我惊喜地接到他的来信，告知他写了一部有关电讯业发展的著作，嘱我给他的书做一点宣传推广。离我发表那篇论文已有三十五年，我很高兴他还记得我和肯定我们的工作。现在光纤网络已遍布全球，光纤网络的应用，对世界文明有重大影响，而且还有远大的发展潜力。我认为这种资讯革命将缔造一个新的纪元，我们的生活也将因此而改变。这不是因为通讯容易了，或因为我们可以获得更多资讯和知识，而是因为我们一定要摒除旧有的思想，现代文明也将大为改观。一如多个世纪前印刷术的普及开拓了人类的视野，翻开历史新的一页，新的资讯革命也将推动我们在生命的探索上向前迈进。
如今，在圣诞期间，以至于任何时候打电话都已不成问题，只消提起话筒拨个号，数秒间便可接通全球，只要你的银行户口负担得起，谈多久也可以，但事实上每分钟只费几毛钱，任何人都可以畅所欲言。加上流动电话无处不在，即使是偏远的角落也如在近邻。
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Chapter07 光明在望（1）
我召集了光纤通讯小组的同事，作出一个简短的宣布：
“我们的论文已在《英国电子工程师学会学报》发表，也收到英国邮电局的来信，邀请我们进一步研究光纤的通讯用途，还说可以在他们的桃丽斯山实验室进行研究工作。”
我召集了光纤通讯小组的同事，作出一个简短的宣布：
“我们的论文已在《英国电子工程师学会学报》发表，也收到英国邮电局的来信，邀请我们进一步研究光纤的通讯用途，还说可以在他们的桃丽斯山实验室进行研究工作。”
为此大家都感到极度兴奋。过去三年来，我们证明了光纤通讯不再是个神话，通过各种实验数据，可以证实我们的理论并非空谈。即使有时我们的实验只是用蜡和线做工具，但仍能给我们的假设提供有力的证据。我们的假设是，降低石英玻璃中的杂质，可提高玻璃的透明度，在最高的透明度下，如果海洋是用这些玻璃组成，无论海有多深，我们都可以一望到底。我们也证明光纤可以借单模传送光波，从而像无线电波一样，发送开/关讯息。不同的是，光波在同一时间载送的开/关数量，比无线电波多上数百万倍。
我们虽然深受各种精神和实质上的支持鼓舞，但在同类的研究上，我们的同道似乎不多。我们的论文题目《介电波导管的光波传送》，其实有点讳莫如深，并没有在通讯业界中引起太大的回响。我想我们准是要将论文的要点直接提交给有兴趣于这种革命性通讯方法的公司，才有可能说服他们加入我们的行列。我们要发动最多的人，才能令计划成功。我还要向这些公司强调的一点就是，光纤是用世界上用之不竭的材料造成的，那就是——沙粒。用沙做材料既环保，成本又低。我要大力推销光纤的特性，尤其是其轻盈和高度耐受力，以及不会泄漏光源。我深信必须集合众人的努力，光纤传讯才会取得成功。为此我希望能尽快聚集一群同道中人，并准备在1966年12月底启程到亚洲和美国去。
自1953年离开香港后，这还是我第一次回到亚洲。除了顺道与久别的双亲和亲友团聚外，我还打算前往日本和台湾地区，向亚洲推介光纤通讯技术的重要意义。
在日本，我先拜访仙台的东北大学，再前赴日本电信电话公司（NTT）的中央研究实验所、日本板硝子公司（Nippon Sheet Glass Co。）以及日本电气公司（NEC）。日本给我的第一印象是整洁和准时，铁路系统尤其令人难忘。
列车驶过井然有序的田野和散落的村屋，天清日朗，像欢迎我这个海外来客。准时抵达仙台车站时，接车的人已在车厢外等候，看来他们早查清楚我的座号。来人自称是善一教授的助理，笑容可掬，彬彬有礼。事实上，在整个日本行程中，日本人办事的有条不紊和紧守时间观念，给我留下深刻印象，因为我也是个守时的人，对日本社会增添了几分亲切感。
东北大学是著名的国立大学，以八木天线闻名的八木教授就在这里任教。善一教授是位和蔼可亲的长者，对我关怀备至，在我需要他的时候他准会在我身旁，但当我忙于和其他人应酬时，他又会隐蔽在不知哪一个角落，给我最大的空间。
我获引介认识西泽润一教授，他是日本最富研究创意的学者之一，以发明多种非传统半导体器材为人熟知。他的学生看来对他敬畏有加，其中一位和我有过详细的光纤技术讨论，他正在发展斜射率光纤理论。在抛物线形的斜射下，不论光线是同轴射出还是以某一角度从同轴的方向射出，光线在光纤中会以同速前进。在发出开/关脉冲时，若脉冲用笔直的纤芯传送，会有一定程度的扭曲，但如果纤芯呈抛物线状，脉冲便不会有任何变化。这意念是受共聚焦镜原理及其后的气体镜原理启发，两个原理都是在发展光纤传讯初期提出的。有关的实验从理论研究角度进行，但对以首条可应用的斜射率纤芯光纤的制成可谓功不可没。
Chapter07 光明在望（2）
单模光纤是我最初提出的供通讯用途光纤规格，但光纤制造商认为，直径小至3至4微米的纤芯在接驳时确保不会漏失光源有一定的困难，甚至没有可能，因此第一代光纤的斜射率光纤的纤芯一般都以50微米为标准定制。
在NTT，我首次发表有关光纤通讯的演说，演讲室内坐满了研究人员。他们很专心的做笔记，但在演讲完毕后却没有人发问。日本技术人员一般都有良好的读和听英语能力，却怯于用英语发言，尤其是在会议上用�
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