11月4日—忘了自己發明光纖的人
現今網路已如同水電一般，成為日常生活不可或缺的一部分，無論是瀏覽網頁或社群媒體；傳送郵件、分享檔案；聊天、視訊；購物、聽音樂、看影片、……等等，都是透過網路完成。如此各式各樣的網路應用在三十年前還很難想像，因為當時受限於頻寬不足，只能用來傳輸文字，一直要到骨幹網路改以光纖取代銅線後，才一舉突破瓶頸，大幅提升網路頻寬。因此可以說沒有光纖，就沒有現今如此蓬勃發達的各種網路服務，而發明光纖技術的就是被稱為「光纖之父」的華裔科學家高錕。 上海—香港—倫敦 高錕是在1933年11月4日出生於上海的書香門第，祖父是清末積極參與反清活動的文人，父親於密西根大學取得法學博士後，回上海擔任律師。由於家境尚稱富裕，自小熱愛科學的高錕得以嘗試各種化學實驗，包括自製相紙、煙火、滅火器，還曾用紅磷粉和致命的氯酸鉀混合在一起，做成甩在地上即會爆炸的泥球炸彈。 高錕上中學時，因國共內戰迫近上海，而於1948年隨家人移居香港。1952年赴英國就讀伍利奇理工學院（即現在的格林威治大學），再轉念英國倫敦大學學院，於1957年取得電子工程學士學位後，進入國際電話電報公司（ITT）設於英國的研究機構——標準電信實驗有限公司（Standard Telephones and Cables Ltd）。他一邊工作，一邊繼續在倫敦大學學院攻讀博士，最後在1965年取得電機工程博士學位。就在第二年，他發表了開啟光通訊的關鍵論文〈用於光頻的介電纖維表面波導〉（Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies）。 雷射開啟光通訊，但…… 雖然海底電纜早在十九世紀中葉就已開始鋪設，但只能用於收發電報，直到1956年，第一條電話專用的越洋海底電纜才完工啟用，連接蘇格蘭與加拿大，可同時容納36通電話。隨著通訊需求快速成長，陸上與海底電纜都得不斷擴增，建設成本也跟著成正比增加。1960年，美國的梅曼（Theodore Maiman）博士發明雷射後，許多人開始設想利用雷射進行光通訊的可能性，高錕也是其中之一。 理論上，光當然和電一樣，也能以開或關的狀態來代表0與1的數位訊號，有了高同調性又功率強大的雷射，遠距離傳輸就不是問題。但問題是，要透過什麼介質傳送呢？光只能直線行進，怎樣才能讓光也可以循著彎曲的纜線抵達遠方？ 物理學家早就知道光線經過兩個不同折射率的介質時，部份光線會穿過界面而產生折射，其餘則會再從界面反射回來；如果入射角大於臨界角，全部光線便會向內反射。當十九世紀末玻璃纖維問世後，科學家便想到可利用全反射原理，讓玻璃纖維做為傳導光線的光纖，於是在雷射尚未發明之前，就已經用光纖做成內視鏡，以及滿天星般的燈飾。不過實際上光在玻璃中會嚴重衰減，大約20公尺後就只剩1%；內視鏡和燈飾的光纖長度很短，光的耗損有限，所以仍能發揮作用，但距離一旦拉長，即使雷射光也難逃迅速衰減的命運，無法用來傳遞資訊。 突破盲點 儘管大家都認定光纖無法用於長距離通訊，但高錕卻不肯輕易放棄。經過幾年研究後，他發現衰減主要是因為玻璃含有雜質，以及光纖表面不夠平滑，以致光在行進中不規則散射而迅速耗損。他著手進行實驗，終於在1966年發表論文，指出可用石英基玻璃做為光纖的材料，並去除玻璃中的雜質，就能讓光的衰減幅度低於每公里20分貝，足以進行長距離通訊。 1970年，美國康寧公司（Corning Glass Works）終於成功開發出高品質的光纖，衰減幅度果真如高錕的計算，每公里小於20分貝；兩年之後又改善到每公里只衰減4分貝。1977年，通用電話暨電子公司（General Telephone & Electronics）在加州長灘將光纖實際納入電話網路，隨後歐美許多電訊公司也開始使用光纖。隨著半導體雷射的技術突飛猛進，光纖通訊的衰減幅度改善百倍以上，到了1987年，光通訊的傳輸速度已達1.7 Gbit/s，而且每50公里才需要放大器。 光纖比銅線傳輸距離更長、頻寬更大、鋪設成本更低，因此除了逐步用於陸上通訊網路，第一條橫越大西洋的海底光纜也於1988年鋪設完成。幾年後又開發出「波長分波多工」技術，可允許一條光纖同時傳輸不同波長的光，使得頻寬大幅擴增到銅線的萬倍以上，從此開啟了全球性的光纖網路時代。 進入二十一世紀，網際網路的應用快速盛行後，更加突顯出光纖對人類文明的重要性，高錕的貢獻也終於得到肯定，而於2009年獲頒諾貝爾物理獎。只是此時他已罹患阿茲海默症六年，忘了光纖為何物，更不記得自己就是發明人。諾貝爾獎頒獎典禮那天，瑞典國王打破慣例，主動走到高錕的座位前頒獎給他，讓他無須像其他得獎人那樣走到舞台中央鞠躬領獎。高錕起身接受頒獎，他站得挺直，笑容純真燦爛，想必仍未忘記這是科學家的最高榮譽……。 按：本文同步發表於2003年11月號的《工業材料》雜誌。 參考資料：
