光子盒研究院出品

導讀：20世紀50年代以來，科技領域掀起了一場光學革命，激光和光纖的誕生，帶來了革命性突破。事實上，激光和光纖的誕生也是第一次量子革命的範疇，因為(wei) 這些技術的發展是基於(yu) 對量子規律的觀測和應用。本文出自OPTICA新年首刊，原文標題為(wei) 《光學革命的兩(liang) 項突破》，文中的核心觀點是信息技術的發展不是由任何單一的突破推動的。這對於(yu) 開啟第二次量子革命的今天仍有重要指導意義(yi) 。與(yu) 第一次量子革命不同，第二次量子革命是人類對量子態的主動調控和操縱，從(cong) 而實現量子信息技術。

激光和光纖的共同曆史說明了真正革命性突破的發展都是相似的。

在1950年，光學是物理學中的一個(ge) 落後領域。第二次世界大戰推動了光譜學和紅外技術的重大進展，但光學似乎是一個(ge) 由鏡片和光學儀(yi) 器組成的沒有吸引力的世界。當Jay Last於(yu) 1951年從(cong) 美國羅切斯特大學光學研究所畢業(ye) 時，他的教授Parker Givens說這是在固態物理學中發生的。

Last說：“光學是必要的，但它並不震撼；而固態電子學每天都在創造新的東(dong) 西。”博士畢業(ye) 後，他於(yu) 1956年搬到加州，共同創立了仙童半導體(ti) 公司（Fairchild Semiconductor），這使他處於(yu) 矽穀的集成電子行動的中心。在那裏，他將成為(wei) 半導體(ti) 前沿領域的一員，這也是構成現代信息技術基礎的為(wei) 數不多的重大突破之一，而現代信息技術又為(wei) 電力工業(ye) 時代的機器和產(chan) 品提供了新的功能和增強的性能。

偉(wei) 大的突破本身是一係列進步的產(chan) 物。首先是機器的編程，始於(yu) 1804年發明的提花織機，並通過齒輪式計算器和真空管發展起來；其次是半導體(ti) 電子學，從(cong) 晶體(ti) 管開始，發展到集成電子學，其發展速度突飛猛進。使這兩(liang) 種技術取得巨大突破的原因是它們(men) 有能力使自身進展成倍增長，從(cong) 而開辟出巨大的新的可能性。提花織機將線反複織成精致的圖案；今天的軟件控製火箭發射或氣候模擬的複雜操作。半導體(ti) 電子技術開始時是真空管的微型版本，但現在已經成倍地增長為(wei) 強大的計算機器。

然而，編程和集成電子產(chan) 品隻是信息技術的一部分。如果計算機器不能相互溝通，它們(men) 仍然功能有限；運輸它們(men) 處理和產(chan) 生的巨大信息量需要一個(ge) 全球性的、高容量的網絡。

建立這樣一個(ge) 網絡是光的工作，由另外兩(liang) 項偉(wei) 大的突破來實現：激光和光纖。激光提供對光的巨大控製，使其成為(wei) 單色的，並在空間和時間單位上緊密地聚焦到飛秒。光纖將原本會(hui) 消散的光線導入波導，並通過幾乎完全透明的玻璃製成的細如發絲(si) 的纖維將其傳(chuan) 送到世界各地。

值得注意的是，計算機的功率和光通信的傳(chuan) 輸能力已經快速增長。自20世紀80年代以來，芯片上晶體(ti) 管數量的增長遵循摩爾定律，與(yu) 光纖傳(chuan) 輸能力的增長同步進行。信息技術的發展不是由任何單一的突破推動的，而是由軟件、半導體(ti) 電子學、激光和光纖這四項重大突破的互補性組合演變而來。

左圖：光纖，貝爾實驗室，1976年。右圖：通用電氣的激光輔助加工，1975年。

20世紀中葉：光學複興(xing)

光學突破的第一次震蕩出現在20世紀50年代中期。第一根玻璃包覆的光纖在1956年12月首次亮相，1957年2月，一位醫生在病人的喉嚨裏測試了一個(ge) 光纖胃鏡。同年晚些時候，開始了製造激光器的努力，並在1960年以第一次激光演示。光纖可以在拐角處引導光。激光創造了一種新的光的形式：相幹、並集中在一個(ge) 狹窄的光束中。舊的光是白色的，向各個(ge) 方向擴散；新的光在波長和方向上受到嚴(yan) 格的控製。

1841年，瑞士物理學家Jean-Diel Colladon首次演示了全內(nei) 反射光導，將光線對準水流；1884年，《自然》雜誌上刊登了他的“光噴泉”插圖。

這兩(liang) 項突破都是從(cong) 19世紀末和20世紀初的新物理學中產(chan) 生的。光纖的根源在於(yu) 傳(chuan) 統的全內(nei) 反射概念，但波導的概念則源於(yu) 麥克斯韋的電磁波理論。激光產(chan) 生於(yu) 受激發射的概念，愛因斯坦在1916年對馬克斯-普朗克的輻射定律分析中提出了這一概念。隨著理論和實驗知識的擴展，以及技術的發展，光纖和激光都慢慢成熟起來。

當然，光纖和激光的曆史故事已經被講述了很多次。但它們(men) 值得再次一起研究。回顧過去，我們(men) 當然可以指出裏程碑式的成就：1956年第一根玻璃包層光纖、1960年第一台激光器、1970年第一根低損耗光纖。然而，將光學轉變為(wei) 重要科技的是一係列重要的進展，這些進展是由許多站在巨人肩膀上的人在幾十年裏取得的。

全內(nei) 反射和光纖

全內(nei) 反射在17世紀早期就已經被人們(men) 所知，但波動理論直到19世紀早期才能夠解釋它。第一個(ge) 實用的光導是彎曲的玻璃棒，在20世紀初使用，用熱燈發出的光照亮牙科患者的口腔，這可能導致了將玻璃纖維捆綁在一起傳(chuan) 輸圖像的想法。1930年，德國醫學生Heinrich Lamm通過一束鬆散的玻璃纖維傳(chuan) 輸了白熾燈泡燈絲(si) 的明亮圖像。他的目標是製造一種柔性內(nei) 窺鏡來觀察胃部，但他無法進一步前進。

第二次世界大戰後，其他人試圖通過鬆散、裸露的纖維束傳(chuan) 輸圖像，但受到高損耗的阻礙。第一個(ge) 提出解決(jue) 方案的是1951年的Brian O'Brien，當時他既是OSA（現在的Optica）總裁，也是羅切斯特大學光學研究所所長。憑借電氣工程和物理學的學位，O'Brien認識到光纖是用於(yu) 傳(chuan) 輸無線電信號的塑料介電棒的光學對應物，因為(wei) 兩(liang) 者都是沿其長度傳(chuan) 導電磁波的非導電波導。他意識到，用較低折射率的材料包覆光纖可以減少光泄漏到空氣中。

問題是要找到一種適合做包層的低折射率透明材料。1956年，美國密歇根大學的本科生Larry Curtiss將一根高折射率的玻璃棒插入一根低折射率的管子，並將它們(men) 融化在一起，成功了。在他拉出40英尺的纖維後，他可以透過纖維看到熔爐發出的光芒。他的實驗為(wei) 實用的醫療內(nei) 窺鏡打開了大門，這是纖維光學的早期主要應用。

Larry Curtiss在美國密歇根大學當物理係學生時，就有了實用醫療內(nei) 窺鏡的想法。

一家在其他光學領域也有創新的美國眼鏡製造商——美國光學公司（American Optical Company），走了一條不同的路：把許多細的纖維棒堆在一起，然後把它們(men) 拉成剛性的熔融棒。當單個(ge) 纖芯的直徑達到幾微米時，在該公司工作的Will Hicks注意到了奇怪的圖案，他的同事Elias Snitzer將其識別為(wei) 模態圖案，一直下降到單模。單模光纖傳(chuan) 輸的發現後來被證明對光纖通信非常重要。

1961年，首台光纖激光器

20世紀20年代末的實驗證明了受激輻射的存在。後來，為(wei) 了尋找更高頻率的微波光譜學源，Charles Townes發現了如何放大受激發射。微波光譜學是他在美國哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的主要興(xing) 趣，1951年，他靈機一動，認為(wei) 分子過渡可能提供所需的高頻。1954年，他的學生James Gordon通過將激發的分子與(yu) 基態的分子分離，並將激發的分子引導到一個(ge) 在24 GHz微波轉換處產(chan) 生共振的空腔中，從(cong) 而製造出了第一個(ge) 脈澤源（maser source）。

1957年，Townes轉向製作光學版的脈澤器，這帶來了不同的挑戰：使用什麽(me) 發光材料、如何將原子或分子激發到高能級，以及如何設計一個(ge) 諧振腔。其他人緊隨其後，但這個(ge) 問題是一個(ge) 棘手的問題。Theodore Maiman和O’Brien一樣，擁有工程和物理學學位，通過用商業(ye) 攝影閃光燈發出的白光激發他熟悉的紅寶石，獲得了成功。

Theodore Maiman（Maiman在第一台激光器中實際使用的閃光燈是另一種更小的閃光燈。）

Maiman在1960年7月7日的新聞發布會(hui) 上宣布了激光的發明，使光學成為(wei) 全世界報紙的頭版。盡管小報稱其為(wei) “科幻小說中的射線槍”，但它立即被認為(wei) 是產(chan) 生新光源的一個(ge) 突破。科學家們(men) 在購買(mai) 了新聞報道中展示的閃光燈並使用它來激發紅寶石棒後，迅速複製了他的激光。IBM很快就用閃光燈用其他材料製作激光器。同年12月，貝爾實驗室展示了第一台氣體(ti) 和連續波激光器。1961年，美國光學公司的Snitzer從(cong) 一個(ge) 帶有摻釹核心的玻璃棒中產(chan) 生了激光脈衝(chong) ，這是第一台光纖激光器。

隨著新激光器的增多，工程師和科學家們(men) 尋求使用它們(men) 的方法。早期的測試表明，激光可以在鑽石上鑽孔，測量距離並產(chan) 生非線性效應。在其他潛在的應用中，最重要的是激光束通信。

激光和光通信

廣播和長途電話在第二次世界大戰後穩步增長，通信行業(ye) 希望在更高的載波頻率上傳(chuan) 輸信號，提供更寬的帶寬。

在20世紀50年代，在美國提供電話服務的受管製壟斷機構貝爾係統公司開始開發一個(ge) 以50 GHz頻率傳(chuan) 輸的係統，該係統必須埋在空心金屬波導中，因為(wei) 大氣會(hui) 吸收這些頻率的信號。

在為(wei) 貝爾實驗室提供谘詢時，Townes讓他們(men) 對下一代電話係統的光學頻率的更大潛在傳(chuan) 輸能力感興(xing) 趣。在早期測試顯示激光束在大氣中的傳(chuan) 輸不穩定後，貝爾開始研究光波導。貝爾公司傳(chuan) 輸研究負責人Rudolf Kompfner首先想到的是使用空心波導，就像50 GHz係統中使用的那樣。他還要求他的一名員工找出市場上最清晰的光纖的損耗；答案是大約1000 dB/公裏，顯然對通信來說是不夠的，所以貝爾追求空心光波導。

華裔物理學家高錕在英國的標準電信實驗室測量熔融石英的透明度。

位於(yu) 美國的康寧玻璃廠已經開發出能夠承受高溫烘烤的超純石英玻璃。當康寧公司的Robert Maurer聽說了高錕對超透明玻璃的研究後，他與(yu) 他的同事Frank Zimar開始了一個(ge) 小項目：對耐熱玻璃進行改造，以實現低衰減。當這個(ge) 項目進展順利時，他雇用了年輕的科學家Donald Keck和Peter Schultz在這個(ge) 項目上花費更多時間。1970年，他們(men) 報告了一種在紅色氦氖激光線上的損耗為(wei) 17 dB/公裏的光纖。

這是一個(ge) 改變遊戲規則的突破，但第一根低損耗光纖對於(yu) 實際使用來說太脆弱了。1972年，康寧公司報告說，在850納米處的損耗降低到了4 dB/公裏，在核心部分添加鍺使光纖更加耐用。1976年，日本NTT茨城實驗室的Masaharu Horiguchi和日本藤倉(cang) 電纜的Hiroshi Osanai在1.3微米的零色散波長和1.55微米的光纖損耗最小值處打開了傳(chuan) 輸窗口。他們(men) 的損耗在這兩(liang) 個(ge) 波長上都低於(yu) 0.5 dB/公裏，這就把長距離光纖的工作轉移到了這些頻段。到那時，貝爾公司已經完成了現場測試，並悄悄地放棄了50 GHz係統。

又一突破：二極管激光器

如果沒有激光性能的突破，光纖損耗的突破就不會(hui) 有意義(yi) 。早期的氣體(ti) 和固體(ti) 激光器體(ti) 積龐大、效率低下，因此，1962年二極管激光器的發明大大推動了激光通信的發展。在美國麻省理工學院（MIT）林肯實驗室的研究人員報告了砷化镓二極管的光發射躍升之後，它很快就出現了，以至於(yu) 一位參加講座的人認為(wei) 他們(men) 違反了熱力學第二定律。

麻省理工學院（MIT）林肯實驗室的早期二極管激光器特寫(xie) 。

麻省理工學院的團隊並沒有這樣做，但它表明了砷化镓GaAs是一個(ge) 非常好的二極管激光器候選材料。在幾周內(nei) ，該團隊和其他三個(ge) 團隊加入了諧振器，製成了第一批二極管激光器。二極管激光器由半導體(ti) 製成，是電子領域最熱門的技術，在激光通信方麵開始顯得非常有吸引力。

然而，第一批二極管激光器隻能在低溫下發射短暫的脈衝(chong) 。經過十幾年的一係列進展，才實現了可靠的室溫操作。第一步是由Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer發明的半導體(ti) 異質結構獲得諾貝爾獎，但直到1970年，Alferov的小組和貝爾實驗室的一個(ge) 獨立小組才展示了二極管激光器的室溫連續波操作。又過了七年，貝爾實驗室才生產(chan) 出能夠在室溫下工作一百年的砷化镓二極管激光器。

具有諷刺意味的是，就在同一時間，長波長光纖窗口的開放將理想的波長從(cong) 砷化镓的850納米波段轉移到了1310納米波段，在這個(ge) 波段，石英光纖的色散為(wei) 零，衰減較低。幸運的是，對於(yu) 化合物半導體(ti) 來說，改變二極管中元素的混合物可以改變其發射線。在這種情況下，在砷化镓中加入銦和磷可以增加它的波長，所以沒過多久就可以生產(chan) 出在1310納米發射的InGaAsP激光器，後來也可以在1550納米發射。雖然有一些小的折衷，但為(wei) 砷化镓開發的工藝對InGaAsP的大部分長波長都是有效的。

接踵而至的技術突破：單模光纖

高錕的最初提議要求使用單模光纖，因為(wei) 根據他在50 GHz埋入式毫米波導方麵的經驗，多模傳(chuan) 輸可能導致嚴(yan) 重的噪聲問題。然而，單模傳(chuan) 輸所需的小纖芯使其很難連接兩(liang) 段光纖而不漏掉大部分的光。一根850納米的階梯指數光纖的纖芯直徑必須小於(yu) 約5微米，才能用於(yu) 單模操作，這使得光耦合有損失。

將傳(chuan) 輸轉移到1310納米改變了規則。在該波長下，單模芯的直徑約為(wei) 9微米，而且機械連接的公差也得到了改善。但最大的好處是消除了模態色散和減少衰減，這限製了數據傳(chuan) 輸率和傳(chuan) 輸距離，在20世紀80年代初，單模係統從(cong) 45 Mbit/s和10公裏躍升到400 Mbit/s和30公裏；到20世紀90年代，最高數據速率為(wei) 2.5 Gbit/s，技術突破的浪潮開始形成。

傳(chuan) 輸係統的偉(wei) 大基礎：光纖放大器和WDM

20世紀80年代的長距離光纖傳(chuan) 輸依賴於(yu) 相隔30至50公裏的電光中繼器。每個(ge) 中繼器將輸入的光信號轉換為(wei) 電子形式，進行電子放大，然後用電子輸出來驅動激光，將信號送入下一個(ge) 跨度。石英光纖已經接近其可能的最小衰減，而且無法找到更好的纖維材料。半導體(ti) 光放大器（沒有諧振器的二極管激光器）似乎是合乎邏輯的下一步，但它們(men) 的信號質量被證明是不夠的。

David Payne在他的實驗室。

這一問題的解決(jue) 方案來自於(yu) 激光家族的另一個(ge) 分支：光纖激光器。

英國南安普敦大學的David Payne發現，添加到光纖芯中的鉺可以在1550納米的波段內(nei) 發射，而那裏是二氧化矽最透明的地方。在980納米的泵浦下，它是一個(ge) 很好的光纖放大器，這是一個(ge) 由InGaAs二極管激光器有效產(chan) 生的波長。

更好的是，鉺有一個(ge) 廣泛的增益帶，所以它可以放大1550納米左右的一係列波長，從(cong) 而實現波分複用（WDM）。將光纖傳(chuan) 輸轉移到1550納米涉及一些複雜的工程，以獲得正確的細節。整個(ge) 鉺帶的增益是不均勻的，因此需要精密的光學器件來調整增益，以實現所有波長的均勻功率。轉移到1550納米還需要對色散進行補償(chang) ，在1310納米時色散為(wei) 零。但處理這些複雜問題使單根光纖的帶寬增加了近百倍，而此時其他改進措施已將光纖帶寬提高了4倍，達到10 Gbit/s。

這個(ge) 時機似乎很完美，因為(wei) 在20世紀90年代，互聯網流量正在飛速增長，用戶和運營商都需要更多的帶寬。這種增長使得電信市場在20世紀90年代蓬勃發展。此前默默無聞的光學公司的股票飆升，市場大師們(men) 預測了一個(ge) 光輝的未來。然而，最終，光學技術的巨大進步做了一個(ge) 沒有人認為(wei) 可能的事情：提供了太多的帶寬。

在此後的許多年裏，運營商可以用幾分錢的價(jia) 格購買(mai) 泡沫時期安裝的暗階躍折射率單模光纖，以提供更多的帶寬。他們(men) 得到了實惠，因為(wei) 大多數光纖可以傳(chuan) 輸許多波分複用通道。起初，他們(men) 使用每個(ge) 波長10 Gbit/s，但相幹傳(chuan) 輸和數字信號處理的引入首先將容量提高到每個(ge) 通道100 Gbit/s，最近又提高到400或800 Gbit/s以應對雲(yun) 計算和流媒體(ti) 視頻。需要新的大模麵積光纖來傳(chuan) 輸最高容量的信號，但它們(men) 基本上是古老的階躍折射率單模光纖的改進版，事實證明，它是先進傳(chuan) 輸係統的一個(ge) 偉(wei) 大基礎。

回顧曆史，激光、光纖成為(wei) 技術社會(hui) 的基石

在過去的半個(ge) 世紀中，激光和光纖領域取得了一係列的進步。

仔細觀察曆代光纖係統的設計，可以看到光纖、發射器、接收器、傳(chuan) 輸格式和係統本身的持續演變。新的技術已經被加入：相幹傳(chuan) 輸和數字信號處理已經取代了色散管理以提高傳(chuan) 輸能力；此外，它們(men) 還延長了已經埋在地下的光纖的可用壽命，這是一個(ge) 很大的優(you) 勢，因為(wei) 安裝費用通常比電纜本身要高。

激光技術也在不斷發展。在早期，大多數激光器將不超過百分之幾的輸入能量變成輸出。現在，二極管和光纖激光器可以將一半以上的輸入能量轉化為(wei) 輸出光束。光學泵浦和非線性光學技術增加了可用波長的種類。我們(men) 探索得越多，學到的東(dong) 西就越多，激光和光纖可以為(wei) 我們(men) 做得越多；這些都是不斷推進的突破。

現代激光器和光纖不是單一發明的產(chan) 物，而是幾代科學家和工程師的累積創造。貢獻者站在巨人的肩膀上；其他貢獻者現在反過來也站在巨人的肩膀上。這篇文章隻能列舉(ju) 少數的奠基人。

有些進展比本文論述的時代要早。Snitzer在1961年發明了光纖激光器，但這項技術要到二極管激光器成熟到足以提供泵浦源時才能發揮其作用；貝爾實驗室在20世紀60年代展示了空心波導中的相幹光通信，但它隻是在2010年左右隨著數字信號處理的出現而變得實用；康寧公司用於(yu) 提純炊具用熔融石英的材料科學是低損耗光纖的基礎；固體(ti) 物理學的研究為(wei) 半導體(ti) 電子學打開了大門，這又為(wei) 複合半導體(ti) 和二極管激光器打開了大門……

通過對光學的革新，激光和光纖為(wei) 今天光學的大部分工作奠定了基礎。在醫學上，激光和光纖可以進行敏感的測量或進行挽救生命的手術。在工業(ye) 上，它們(men) 可以在生產(chan) 線上定位物體(ti) ，焊接厚厚的金屬板。激光已經發現了來自遙遠宇宙的引力波，並創造了迷人而強大的工具，如頻率梳。

而給我們(men) 帶來激光和光纖的突破，不僅(jin) 徹底改變了光學；它們(men) 也使光學成為(wei) 我們(men) 技術社會(hui) 的一個(ge) 重要元素。

參考鏈接：

https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/january_2023/features/two_breakthroughs_that_revolutionized_optics/