「光纖之父」另有其人?高錕竟是「茫茫大士」?

       今天，光纖通信無處不在，依賴頭髮絲粗細的光纖，地球進入了網際網路時代，可以說沒有光通信，現在火爆的5G，6G都是空談。裸光纖的直徑大約125um，也就是0.125mm，人類的頭髮直徑約60-90um，提到毛髮？老外那身濃密的體毛是不是令人望而生畏？可是你知道嗎，東亞黃種人的頭髮才是最粗的，據說和基因變異有關。

    

       當然，論毛髮粗細？都不能和豪豬比，這貨的體毛有5mm那麼粗         

    

       回到光通信，我們必須要感謝一個人，他就是高錕。2009年高錕獲得了諾貝爾物理學獎，也正是因為這一系列的榮譽和影響力加身，高錕先生被譽為「光纖之父」！父親？在我們心目中一般是買橘子的，賣燈泡的，或者這種二次元老爺爺。

      

或者這種簡單粗暴的"爸爸"和"嶽父"。

          

   高錕不屬於上面任何一種類型，來看一下他的獲獎理由："for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication"，簡單的講就是他在光通信領域取得了突破性的成就。而同期的另外兩位諾貝爾獎獲得者的理由是"for the invention of an imaging semiconductor circuit–the CCD sensor"，即Willard Boyle和George Smith發明了CCD（電荷耦合器件的簡稱，它能夠將光線變為電荷，數位相機就是靠它成像的）。對比一下這兩段得獎理由不難看出區別。

       事實上，光纖確實不是高錕先生發明的。我們來看一下光纖的研製歷程。早在1840年左有，就有人提出可以依靠光折射現象來引導光線的理論。到了1870年，英國物理學家丁達爾(John Tyndall)在其出版的書籍中寫到，全內反射特性是光的自然屬性，同時還進一步說明了，光線從空氣射入水中以及從水中射入空氣時的不同，他指出，當光線由水中射入空氣時，如果角度大於48度（與法線之間的夾角，這一角度的精確值是48°27'），那麼光線將無法「逃出」水面，光線會在界面處被完全反射。光的反射，折射定理和全反射現象，是九年義務制教育的傑出成果之一。基本上小夥伴們都能如數家珍，但是作為大學生，僅僅會背那兩個關於角度的公式是不夠的，要知道，這些定理本質上都可以用電磁波理論來推導和解釋，堪稱「降維打擊」，大多數用所謂「射線理論」處理的光學現象，都可以看成電磁波理論的一種近似情況。關於，反射和折射一些性質的具體推導過程，可參考「光學」裡的斯涅耳(Snell)定理（解釋了入射，反射和折射光波傳播方向的關係），以及菲涅爾公式（解釋了三者的幅度和相位的關係）。另外，還要注意活學活用，

你能理解下面這幾張圖呈現的效果都是因為全反射嗎？

水珠，鑽石，海水平面本質上都是透光的，為什麼水珠會有太陽的倒影？鑽石能亮瞎鈦合金狗眼，海水像一面鏡子？都是全反射的原因，而光的反射主要又是折射率的問題，所以研究光學總是離不開研究折射率。

       回到英國物理學家丁達爾的實驗：他在裝滿水的木桶上鑽個孔，然後用燈從桶上邊把水照亮。結果放光的水從水桶的小孔裡流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了(下圖左邊是當年的實驗原理圖，右邊是現代用雷射作為光源做出來的樣子)。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。實際上，在彎曲的水流裡，光仍沿直線傳播，只不過在內表面上發生了多次全反射。

    

      後來人們造出一種透明度很高、粗細像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當光線以合適的角度射入玻璃纖維時，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進。由於這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導纖維。光在裡面的傳輸是這個樣子：

       接下來就是用它幹點什麼，最初在1920年左右，科學家們的主要研究方向是通過它來進行圖象傳輸。具體的應用比如醫學內窺鏡，用於軍事的可彎曲潛望鏡，但早期玻璃纖維的表現難以讓人感到滿意。比如每當光纖需要「對接」的時候，或者光纖界面受損時，光纖中的光就「消失」了，另外，光在傳輸中的損失也很嚴重。隨著時間的推移，在1950年左右，那時，N.S. Kapany（1926-2020）等人展示了帶有包層的光纖，這使得圖像在光纖中的傳導表現大大提升，這是光纖發展史上的一個重大突破。N.S. Kapany所展示的光纖與我們今天使用的光纖在結構上可以說是一樣的。

       當今的光纖其核心部分有兩層結構，最中心部分是纖芯，是一根極細的且折光率稍高的玻璃，在纖芯周圍的是包層，覆蓋著的也是一層玻璃，只不過這層玻璃的折光率要略低於纖芯。一定有同學會有疑問，纖芯周圍如果是空氣，不也一樣可以全反射嗎？為什麼還需要包層？原因其實很簡單，如果沒有包裹一層包層，那麼光纖在傳光過程中很容易受外界幹擾，比如我們用手捏著光纖，手上的油脂就會導致光纖表層的折射率發生變化，那麼全反射條件就會發生改變，光可能就從這個位置逃逸出去了。應該也正是因為這一突破性的成就，N.S. Kapany 也被人們稱為是「光纖之父」。

      接下來，就是高錕先生的表演時間了。即使歷史發展到此時，人們似乎依然沒有打算把光纖應用於通信領域的想法，科學家們始終在致力於提升光纖傳輸圖像的表現，實際上光纖發展至此，無論在結構上還是在材質構造上，與當今我們使用的光纖基本上已經完全一樣了，但是當時的光纖製造技術對於衰減率的控制僅能達到1000dB/km，1000dB的衰減是什麼概念呢？如果把馬雲的財富當做光信號的初始功率，那麼經過這麼多衰減，立馬變身「範小勤」..

      在1966年7月，高錕就光纖傳輸的前景發表了具有重大歷史意義的論文，論文分析了玻璃纖維損耗大的主要原因，大膽地預言，只要能設法降低玻璃纖維的雜質，就有可能使光纖的損耗從每公裡1000分貝降低到20分貝／公裡，從而有可能用於通信。這篇論文使許多國家的科學家受到鼓舞，加強了為實現低損耗光纖而努力的信心。正如我們每個人都會對能否成功產生懷疑，缺乏信心，久而久之就產生惰性。想像一下，你在考研備考的時候，從我的經驗和眾多實踐者的經歷看來，能做到每天認真複習，努力刷題必定會有所收穫。但是，細化到「取經路上」，卻有相當多的人半途而廢，原因在於你今天多刷兩道題，多背兩個單詞可能對你考研最終的結果毫無幫助，這就容易讓人倦怠，做與不做，是個問題，做了又能得到什麼呢？這就是所謂的「先定一個小目標，賺1個億」的道理而很多遊戲，贏一把上一顆星，肉眼可見的「成長」，於是很多精神小夥就陷進去了..然而，在高錕做出推斷之前，工業界就是這樣迷茫的心態，光通信？不可能的？損耗太大？路在何方？還要不要堅持?往裡投錢是否打水漂？高錕就等於給你吃了定心丸：「小夥子，從今天起你每天複習xx小時，刷xx道題，半年後xx大學保證直接錄取你」。我相信大多數人如果事先得到這樣的承諾，都能夠堅持下去..所以，對未知的將來懷有真正的勇氣和堅持更難能可貴。

      因此，關於高錕，更嚴謹一點的說法是「光纖通信之父」而非「光纖之父」。最後，我想打個比方。如果把原始的光纖比作大荒山無稽崖青埂峰下，女媧鍊石補天遺下的那塊頑石，那麼高錕先生就好比裡面的"茫茫大士"，正是他的貢獻，把一塊大石變成了鮮明瑩潔如扇墜大小的美玉，從而也不再是"蠢物「了，可以隨神瑛侍者下世，去那「富貴溫柔鄉」去歷練一番了.