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赵梓森: 回顾中国光纤通信发展史 砥砺中前行

2016-06-30 11:28
苏子言岁月
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  中国上海出生的英/美籍华人高锟(Charles K Kao),1966年在英国BTRL(英国电信研究实验室)的论文上,提出玻璃丝的损失可低达20 dB/km,可用于通信。当时绝大多数人不相信,因为,当时世界上最好的光学玻璃是德国的Ziss照相机镜头,其损失是700 dB/km,常规玻璃损失约为x万dB/km。但BTRL的领导、美国Bell实验室和世界最大的玻璃公司Corning(康宁)相信。据说,美国康宁玻璃公司花了3 000万美元,研制出3根长30 m、损失为20 dB/km的光纤,认为值得。因为光的频率和带宽是电的千万倍,意味着光纤将会引起一场通信技术的革命!!!

  2009年,高锟博士因发明光纤通信而获得Nobel(诺贝尔)奖金。此时,在美国的高锟已患老年痴呆症,不能回答记者的问题。中国的记者问我“为什么高锟1966年发明光纤通信,在2009年才得奖”,我说:“1970年,美国康宁公司研制出可用于通信的光纤,1976年世界第一条民用的光纤通信线路在美国华盛顿到亚特兰大间开通,信息速率只有45 Mbit/s,光源是LED,所以速率不高,还比不过同轴电缆。1988年美国才研制出可用于通信的激光器,但电子技术是几十 Mbit/s量级,体现不出光纤通信容量大的优点。现在有了几十 Gbit/s的电子技术,充分发挥了光纤通信的优越性。人们真正感觉到光纤通信巨大的优越性!

  现在,光纤构成了通信网、互联网和电视网,光纤通信已是人们生活和工作的必需品。

  2016年是高锟提出采用光纤通信的50周年纪念,特写此文作为回顾纪念,特别是回顾中国光纤通信的发展。本人是中国光纤通信创始人之一,回顾中国光纤通信的发展,从中吸取成功的经验和失败的教训是有益的,经历令人感慨!

  1969年,中国处于“文化大革命”时期,武汉邮电科学研究院(以下简称武汉院)属于北京邮电科学研究院(以下简称北京院)的管辖,北京院把国家科研项目“激光大气传输通信”以及项目执行人员(十余人)移到武汉院。1971年,武汉院的领导即外来的军管军代表许奎认为“激光大气传输通信进展太慢,让技术好的赵梓森去搞一下”,让我担任该项目的负责人。我问:“为什么这样慢”,科研人员回答:“无仪表,如平行光管,一年后才交货”。当时,全中国的工作都不正常。我引用毛主席语录说“土法上马”,太阳光是平行光,可利用它来校正抛物面天线聚焦。大家把天线搬到屋顶,利用太阳校正了天线,很成功。之后,我们把整个激光大气通信设备,搬到当时武汉市最高的建筑——六渡桥的水塔和青山的水运工程学院的某高楼,实现了“大气传输激光通信”,距离约10 km。又请省科学技术委员会(以下简称省科委)领导做报告,经大气光通信传输,全体院职工在武汉院的大在礼堂收听,很成功。

  领导很高兴。但我并不高兴,因为我知道,下雨下雪,光大气传输通不了信!即不能“全天候”,邮电不能用!

  1972年底,我听说美国在研究“光纤通信”——利用玻璃丝进行通信。我意识到光通信有希望。我提出要发展“光纤通信”的科研项目。但绝大多数人反对,包括邮电部、武汉院和北京院的领导。有领导在几十人的会上说:“玻璃丝怎么能通信!赵梓森你不要胡搞,要花几千万,你负得了责吗?”因为,当时美国的光纤通信尚未使用,又因为“文化大革命”,中国与世隔绝,难怪大家不知道。而个别领导,如时任邮电部科技司副司长周华生和时任武汉院科技处处长惠哨岗表示支持,说“可以试试”。此时武汉院已经独立,由邮电部直接领导,不再由北京院管辖。

  由于大多数领导对于光纤通信不理解,把光纤通信作为可有可无的小项目。所以,我只有很少的钱,只有几个人,如黄定国(自愿参加)、唐仁杰(玻璃工)、史青(化学教师)等。无正规的实验室,我们在实验楼厕所边的清洗室内做化学试验。

  SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(SiO2 即石英)(1)

  某天,我把SiCl4 倒到另一瓶中,由于同事配合不好,而SiCl4 在室温下会沸腾,SiCl4喷入我的右眼,我剧痛。产生的氯气使我晕倒在地。同事用车送医院抢救,但医生也不知道如何救,此时我已经苏醒,我说:“用蒸馏水冲眼睛,打吊针。”2小时后,身体恢复正常,我立即回武汉院实验室继续工作。

    1、科研工作也要有献身精神

  当初,我们的化学水平不高,采用酒精灯加温,因温度不够,无反应。于是改用石墨炉,可得到1 200℃。原料是气体,经过1只石墨炉,原料气体尚未反应就出来了,什么都未得到。于是增加石墨炉的个数,以保证有足够的反应时间,直至再增加12个石墨炉,我们得到了一些白色粉末,大家很高兴,以为是石英。经过化学分析,原来是含水份的硅胶,不是石英。这样的失败有几十次。

  光纤导光原理如图1所示。光纤是由二层不同折射率的石英玻璃构成的,芯的折射率大于包层的折射率,构成全反射,使光信号可弯曲传输。光纤芯必须是“9个9”、即0.999 999 999的超纯石英,以保证光纤的传输损失极小。

  我们对制造光纤的石英的知识理解得太肤浅,于是,我让黄定国到上海、沙市石英厂访问,才知道熔炼石英需要1 400℃~2 000℃高温,要用氢氧焰。我们采用所谓的MCVD法,即改良管内化学沉积法,制造超纯石英。MCVD法的概念如图2所示。

  MCVD法即先将购买来的普通石英管,通入气体原料,在管外用氢氧焰加温至1 400℃,使之产生化学反应,产生石英粉末,附在石英管壁上。来回移动氢氧焰,附在石英管壁上的石英粉末加厚,直至达到需要的厚度。最后,氢氧焰加温至2 000℃,使管内的石英粉熔成透明的石英,同时,包层石英管也因变软而收缩,自动填满中心孔而形成光纤“预制棒”。

  然后用拉丝机拉丝,内有石墨炉,可产生1 400℃高温,使石英棒变软,用电动机旋转滚筒,把光纤“预制棒”拉成直径为125 μm的光纤。

  1973年,武汉院光纤通信正式立项,申报国家科研项目。原来中国最早研发光纤通信的是中国科学院福州物质结构研究所(以下简称物构所)。1972年,物构所的科研项目“732机”内包含“光纤通信”的研究。合作单位有清华大学(负责研制通信系统)、成都电信工程学院(负责研制光源)、物构所(负责研制光纤,是项目负责和总体设计)。

  于是,原国务院科技办(即现在的国家科学技术委员会,以下简称国家科委)下有2个单位申报“光纤通信”科研项目,即物构所合作团体和武汉院。原国务院科技办不容许重复,只容许设一个“光纤通信”科研项目。于是组织了一次“背靠背”辩论,即由原国务院科技办主持,武汉院和物构所分别发言,不当面辩论,最后由原国务院科技办确定“光纤通信”科技项目的归口。

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