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本文发表于《科学画报》二零零九年第十一期 (上海科学技术出版社出版)。 因字数所限, 发表稿的内容略有删节。

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纤维里的光和电路中的影

- 2009 年诺贝尔物理学奖获奖成果简介 -

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》约稿而写的科普短文。 本站版本在若干学术术语、 人名及获奖原因后面加注了英文, 并包含了一些注释。

在一个周末的清晨, 你上网查询了本市的景点信息, 然后决定与家人一起参观新落成的科学博物馆; 在博物馆里, 你一边参观, 一边用数码相机拍着相片; 回家后, 你用电子邮件将几张精选相片传给朋友, 让他们分享你的快乐; 晚上, 你和家人围坐在一起, 欣赏清晰的数字电视……

你也许没有意识到, 在这普通的一天里, 你已反复成为了 2009 年诺贝尔物理学奖获奖成果的受益者。

2009 年 10 月 6 日, 拥有英国和美国双重国籍的华裔科学家高琨 (Charles K. Kao), 拥有加拿大和美国双重国籍的科学家博伊尔 (Willard S. Boyle), 以及美国科学家史密斯 (George E. Smith) 共同荣获了 2009 年的诺贝尔物理学奖[注一]。 在这三人中, 高锟 “因光学通信中有关光在纤维中传输的突破性贡献” ("for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication") 获得全部奖金 (约 140 万美元) 的一半, 博伊尔和史密斯则 “因发明一种成像半导体电路——CCD 传感器” ("for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor") 而分享了另一半。

在本文中, 我们将对这三位科学家的工作及其意义作一个简单介绍。

一. 光纤, 信息时代的大动脉

我们先来谈谈光纤。

简单地讲, 光纤是一种能引导光在其中传输的纤维。 初看起来, 这并不是什么深奥莫测的东西, 因为光——如我们早已知道——可在一切透明介质中传输, 而光纤不过是制成纤维状的透明介质。 这种用介质引导光的想法早在 19 世纪 40 年代初就已出现并付诸实验 (所用介质是水和玻璃), 它的一种早期应用是灯光喷泉 (直到今天仍在用)。 由于受光纤引导的光可以随光纤而弯曲, 自 20 世纪 20 年代末起, 人们开始设想用光纤来制作诸如胃窥镜之类的医学仪器, 那些仪器可以深入患者体内, 用光纤引导的光将患处的图像传输出来。

光的全内反射
光的全内反射

从物理上讲, 光纤利用的是一种有趣的光学现象, 那就是当光从折射率较高的介质 (比如玻璃) 射向折射率较低的介质 (比如空气) 时, 在特定的角度范围内, 入射光会在两种介质的交界面上被完全反射, 而无法进入折射率较低的介质。 这种现象被称为光的全内反射 (total internal reflection), 正是它保证了光纤内的光能够被光纤所引导, 而无法轻易逃逸。

事情如果仅仅是这样, 就没诺贝尔奖什么事了。 人们在实际制作光纤时很快就发现, 虽有全内反射在光纤的边界上把关, 光纤中的光仍会迅速损耗。 在 20 世纪 60 年代初, 光在最好的光纤中, 也只能传播区区 20 米就只剩下了 1% 左右。 这使得光纤的应用只能局限于象医学仪器那样的短距离之内。

那么, 光纤中光的快速损耗究竟是什么造成的呢? 人们提出了一些可能的原因, 比如光纤的弯曲, 或光纤材料 (比如二氧化硅) 的晶体结构缺陷等。 但是, 任何实际应用中的光纤都不可能不弯曲, 任何常温下的晶体结构也都不可能无缺陷。 因此, 若原因果真在这些方面, 那光的快速损耗基本上就是 “绝症” 了。 幸运的是, 就在这光纤应用的整体前景面临极大挑战的时候, 英国标准电信实验室 (Standard Telecommunications Laboratories) 的高锟与霍克汉姆 (George Hockham) 经研究发现[注二], 光的快速损耗并非上述原因所致, 而主要是由于光纤中杂质——尤其是铁离子——对光的吸收与散射。 他们这项研究为光纤时代的降临开启了大门[注三], 因为既然罪魁祸首是杂质, 我们要做的就只是对光纤材料进行提纯, 而这是没有任何原则性困难的。

光纤网络示意图
光纤网络示意图

高锟等人的工作发表于 1966 年。 四年之后, 即 1970 年, 美国玻璃制造商 康宁公司 就通过材料提纯, 将原先 20 米的传输距离提升到了 1000 米[注四]。 此后, 就象所有技术领域的发展一样, 这一纪录被一再刷新。 自 1975 年起, 英、 美、 日等国先后迈出了实用光纤通信的步伐。 1988 年, 第一条跨大西洋的光纤电缆安装成功。 现代的互联网、 有线电视、 电话通信等更是处处离不开光纤。 可以毫不夸张地说, 光纤已成为信息时代的大动脉。 与传统的无线电通信相比, 光纤所能传输的信息量要大得多, 而且光纤所用之材料不仅蕴藏丰富, 而且强度很高, 具有得天独厚的应用优势。 据估计, 人们迄今铺设的光纤网络已达 10 亿公里左右, 足可在地球与月亮之间绕一千多个来回。

在光纤所传输的信息里, 有很大一部分是数码影像, 这些影像的由来将我们引向了今年诺贝尔物理学奖的第二项获奖工作: CCD。

二. CCD, 数码摄影的电子眼

CCD 是电荷耦合器件 (Charge-Coupled Device) 的英文缩写。 这种器件原本是作为一种电子内存而研发的。 1969 年秋天, 美国贝尔实验室的博伊尔 (Willard S. Boyle) 和史密斯 (George E. Smith) 从事的就是这种研发工作。 但 CCD 的真实用途几乎立刻就转变为了感光器件。

CCD 的感光原理是建立在一种被称为光电效应 (photoelectric effect) 的现象之上的。 这种现象曾被电磁波的发现者, 德国物理学家赫兹 (Heinrich Hertz) 观察到——因此有时也被称为赫兹效应 (Hertz effect), 后来又经过了实验物理学家勒纳 (Philipp Lenard) 的研究, 并由爱因斯坦利用当时还很新颖的光量子理论作出了理论解释 (勒纳德与爱因斯坦因此分别获得了 1905 和 1921 年的诺贝尔物理学奖)。 按照光电效应, 适当频率的光照射到某些物质上时, 会从物质中打出电子, 其数目与光强成正比。

CCD “组桶式” 传输电子的比喻图
CCD “组桶式” 传输电子的比喻图

利用这一效应, 博伊尔和史密斯将感光材料制成了一个由很多小单元组成的阵列[注五], 当光照射到阵列上时, 会在每个小单元上打出一些电子。 这些电子的数目分布很好地记录了入射光的强度分布。 为了保存这些电子, 博伊尔和史密斯让每个感光小单元都配有一个微小的电容。 在感光过程结束后, 这些小电容里的电子通过巧妙设计的电路逐排传递出去, 并转变成为数字信号。 这就是 CCD 的工作原理, 而由那些数字信号组成的就是所谓的数码影像。 由于 CCD 所用的将电子逐排传递出去的方式很象早年消防队员人工传递水桶的情形, 因此这种器件也被称为 “组桶式” 器件 (bucket brigade device)。

萌生 CCD 设想后的第二年, 博伊尔和史密斯就将它用到了摄像机上; 1972 年, 一家美国公司率先制造出了具有 10,000 (100×100) 个感光单元的 CCD 传感器; 1974 年, 第一张 CCD 天文相片问世; 1975 年, CCD 摄像机达到了可用于电视转播的水准; 1979 年, CCD 被首次安装到了天文望远镜上…… CCD 的发展走上了快车道。 近年来, 在 CCD 的冲击及其它因素的影响下, 世界最大的胶卷生产商柯达公司 (Eastman Kodak Company) 陆续停止了普通胶片及胶片相机的生产。 从某种意义上讲, 这意味着一个时代——光学摄影时代——的终结。 当然, 它同时也是一个新时代——数码影像时代——日益成熟的标志。

哈勃望远镜拍摄的蟹状星云
哈勃望远镜拍摄的蟹状星云

那么, 年轻的 CCD 与历史悠久的普通胶片相比究竟有什么优点呢? 主要的优点有两个: 一个是敏感度高, CCD 能对 90% 左右的入射光子产生反应, 也就是说, 100 个入射光子约有 90 个能在 CCD 的感光材料上产生电子, 从而得到记录。 而普通胶片及肉眼只能记录其中 1-2 个 (高质量的胶片也只能记录 10 个左右)。 另一个是适用范围广, CCD 可用于从红外到 X 射线的各种波段。 而普通胶片的适用范围却很狭窄, 早期的普通胶片甚至无法有效地涵盖可见光区内的红光, 从而使得象褐矮星、 红移值较高的类星体之类偏于长波的天体的发现大大延后。 此外, 普通胶片需要冲印, 这对日常使用来说虽只是小麻烦, 但对行星探测器来说可就要了命了, 因为行星探测器大都是一去不复返的, 不可能将胶片带回地球冲印。 而 CCD 的数码信息却可以通过电波传回地球。 我们今天看到的那些美轮美奂的行星图片, 或哈勃太空望远镜 (Hubble space telescope) 拍摄的遥远星云都是因为有了 CCD 这只电子眼才成为了可能。 对于观测天文学来说, CCD 是一项能媲美望远镜与光谱仪的伟大发明。

光纤通信与 CCD 都是技术成就, 但它们对于科学研究同样是必不可少的。 今天的科学家们每天都在通过光纤大动脉交流着研究信息; 翱翔在外层空间的太空望远镜每天都在用 CCD 电子眼窥视着这个让人着迷的宇宙。 从这个意义上讲, 获得今年诺贝尔物理学奖的虽是技术领域的工作, 却对科学的发展有着意义深远的促进。

注释

  1. 由于这三位科学家的出生地及国籍丰富多彩, 媒体在报道他们的获奖消息时充分发挥了灵活性。 这三人在美国媒体上是三位美国科学家; 在英国媒体上是一位英国科学家与两位美国科学家; 在加拿大媒体上则是一位加拿大科学家与两位美国科学家。 中国媒体自然也不落后, 大陆媒体突出高琨的华人血统, 香港媒体突出其任职香港中文大学的经历, 台湾媒体则突出其中央研究院院士的身份。
  2. 霍克汉姆于 1969 年获得电子工程学博士学位, 一生获得过 16 项专利。 高锟曾在 2004 年的一次访谈中提到, 霍克汉姆从事的是理论研究。 高锟成为当年那项研究的唯一获奖者, 有可能是因为霍克汉姆当时还只是一位研究生。 诺贝尔奖有过忽略研究生的先例, 比如英国天文学家休伊什 (Anthony Hewish) 因脉冲星的发现而获得了 1974 年的诺贝尔物理学奖, 他的学生贝尔 (Jocelyn Bell Burnell) 虽然是实际上的发现者, 却没有获奖。 当然, 高锟在那篇论文发表之后又与其他人合作, 对其它材料、 其它波长的光纤应用进行了研究, 为工业界指出了更具体的努力方向, 这也很可能是他成为那项研究的唯一获奖者的原因。
  3. 高锟被一些媒体称为了 “光纤之父”, 不过 “光纤之父” 之名在此次诺贝尔物理学奖公布之前, 通常是指美籍印度裔科学家卡潘尼 (Narinder Kapany), 他在 20 世纪 50 年代做过很多光纤方面的工作。 另外要提到的是, 与高锟的研究同年, 德国科学家伯尔纳 (M. Boerner) 也提出了类似的观点, 并在德、 英、 美等国获得了专利, 不过此人不久后就去世了。
  4. 用技术性的术语来说, 康宁公司将光纤的损耗系数由每公里 1000 分贝减少为了 17 分贝。
  5. 感光材料的选取标准是在所需的频率范围——比如可见光区——内具有显著的光电效应。

附录: 获奖者小档案

高锟 (左)   波意尔 (中)   史密斯 (右)

高锟 (左)   波意尔 (中)   史密斯 (右)

  • 高琨 (Charles K. Kao): 拥有英国和美国双重国籍的华裔科学家, 1933 年 11 月 4 日出生于中国上海, 1965 年获伦敦帝国大学 (Imperial College London) 电子工程学博士学位。 高琨曾在英国标准电信实验室 (Standard Telecommunications Laboratories)、 香港中文大学等处任职, 1996 年退休, 目前居住在美国。
  • 博伊尔 (Willard S. Boyle): 拥有加拿大和美国双重国籍的科学家, 1924 年 8 月 19 日出生于加拿大艾姆赫斯特 (Amherst), 1950 年获加拿大麦吉尔大学 (McGill University) 物理学博士学位。 博伊尔自 1953 年起在美国贝尔实验室 (Bell Labs) 任职, 期间曾于 20 世纪 60 年代参与阿波罗登月计划, 1979 年退休, 目前居住在加拿大。
  • 史密斯 (George E. Smith): 美国科学家, 1930 年 5 月 10 日出生于美国怀特普莱恩斯 (White Plains), 1959 年获美国芝加哥大学物理学博士学位。 史密斯自 1959 年起在美国贝尔实验室 (Bell Labs) 任职, 期间获得过几十项技术专利, 1986 年退休, 目前居住在美国。

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网友讨论选录

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2009-11-03)

    先来沙发一下。

    高先生, 49 年离开大陆去香港; 97 年离开香港去英国。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2009-11-03)

    这也挺好的, 只要想想他做出得奖成果的 1966 年中国在做什么, 就知道他的选择是多么正确。 而且由他的工作导致的应用中国也在用……

  • 网友: 星空浩淼   (发表于 2009-11-03)

    刚刚才认真看了一遍, 这是到目前为止, 我看到的有关此话题最好的一篇文章, 趣味性与专业性兼备 (没有任何故意夸大成分)。 国内有些专门搞光纤的, 对此事可能都没有了解多少 (那些搞技术的平时不太关心这个)。 高锟找到了光纤衰减的真正原因, 解决了光纤的技术瓶颈, 其工作的确很伟大。

  • 网友: 大漠孤狼   (发表于 2009-11-03)

    科技的发展速度真是一日千里。 不知 CCD 技术或其变种能否为人工神经网络技术打开一个通道; 要是能成功的话, 具有人类智慧的机器人离成功也就为时不远了。

  • 网友: 快刀浪子   (发表于 2009-11-06)

    还是昌海兄写的文章清楚。 之前也看过一些关于今年诺贝尔奖的介绍, 但看完后还是不清楚高锟具体做了些什么工作, 并且那些文章没有什么趣味性, 看得没有意思。

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