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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范疇，因為這些技術的發(fā)展是基于對量子規(guī)律的觀測和應用。本文出自OPTICA新年首刊，原文標題為《光學革命的兩項突破》，文中的核心觀點是信息技術的發(fā)展不是由任何單一的突破推動的。這對于開啟第二次量子革命的今天仍有重要指導意義。與第一次量子革命不同，第二次量子革命是人類對量子態(tài)的主動調(diào)控和操縱，從而實現(xiàn)量子信息技術。
激光和光纖的共同歷史說明了真正革命性突破的發(fā)展都是相似的。
在1950年，光學是物理學中的一個落后領域。第二次世界大戰(zhàn)推動了光譜學和紅外技術的重大進展，但光學似乎是一個由鏡片和光學儀器組成的沒有吸引力的世界。當Jay Last于1951年從美國羅切斯特大學光學研究所畢業(yè)時，他的教授Parker Givens說這是在固態(tài)物理學中發(fā)生的。
Last說：“光學是必要的，但它并不震撼；而固態(tài)電子學每天都在創(chuàng)造新的東西?！辈┦慨厴I(yè)后，他于1956年搬到加州，共同創(chuàng)立了仙童半導體公司（Fairchild Semiconductor），這使他處于硅谷的集成電子行動的中心。在那里，他將成為半導體前沿領域的一員，這也是構成現(xiàn)代信息技術基礎的為數(shù)不多的重大突破之一，而現(xiàn)代信息技術又為電力工業(yè)時代的機器和產(chǎn)品提供了新的功能和增強的性能。
偉大的突破本身是一系列進步的產(chǎn)物。首先是機器的編程，始于1804年發(fā)明的提花織機，并通過齒輪式計算器和真空管發(fā)展起來；其次是半導體電子學，從晶體管開始，發(fā)展到集成電子學，其發(fā)展速度突飛猛進。使這兩種技術取得巨大突破的原因是它們有能力使自身進展成倍增長，從而開辟出巨大的新的可能性。提花織機將線反復織成精致的圖案；今天的軟件控制火箭發(fā)射或氣候模擬的復雜操作。半導體電子技術開始時是真空管的微型版本，但現(xiàn)在已經(jīng)成倍地增長為強大的計算機器。
然而，編程和集成電子產(chǎn)品只是信息技術的一部分。如果計算機器不能相互溝通，它們?nèi)匀还δ苡邢?；運輸它們處理和產(chǎn)生的巨大信息量需要一個全球性的、高容量的網(wǎng)絡。
建立這樣一個網(wǎng)絡是光的工作，由另外兩項偉大的突破來實現(xiàn)：激光和光纖。激光提供對光的巨大控制，使其成為單色的，并在空間和時間單位上緊密地聚焦到飛秒。光纖將原本會消散的光線導入波導，并通過幾乎完全透明的玻璃制成的細如發(fā)絲的纖維將其傳送到世界各地。
值得注意的是，計算機的功率和光通信的傳輸能力已經(jīng)快速增長。自20世紀80年代以來，芯片上晶體管數(shù)量的增長遵循摩爾定律，與光纖傳輸能力的增長同步進行。信息技術的發(fā)展不是由任何單一的突破推動的，而是由軟件、半導體電子學、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：光學復興
光學突破的第一次震蕩出現(xiàn)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(yī)生在病人的喉嚨里測試了一個光纖胃鏡。同年晚些時候，開始了制造激光器的努力，并在1960年以第一次激光演示。光纖可以在拐角處引導光。激光創(chuàng)造了一種新的光的形式：相干、并集中在一個狹窄的光束中。舊的光是白色的，向各個方向擴散；新的光在波長和方向上受到嚴格的控制。
1841年，瑞士物理學家Jean-Diel Colladon首次演示了全內(nèi)反射光導，將光線對準水流；1884年，《自然》雜志上刊登了他的“光噴泉”插圖。
這兩項突破都是從19世紀末和20世紀初的新物理學中產(chǎn)生的。光纖的根源在于傳統(tǒng)的全內(nèi)反射概念，但波導的概念則源于麥克斯韋的電磁波理論。激光產(chǎn)生于受激發(fā)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(fā)展，光纖和激光都慢慢成熟起來。
當然，光纖和激光的歷史故事已經(jīng)被講述了很多次。但它們值得再次一起研究?；仡欉^去，我們當然可以指出里程碑式的成就：1956年第一根玻璃包層光纖、1960年第一臺激光器、1970年第一根低損耗光纖。然而，將光學轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾萍嫉氖且幌盗兄匾倪M展，這些進展是由許多站在巨人肩膀上的人在幾十年里取得的。
全內(nèi)反射和光纖
全內(nèi)反射在17世紀早期就已經(jīng)被人們所知，但波動理論直到19世紀早期才能夠解釋它。第一個實用的光導是彎曲的玻璃棒，在20世紀初使用，用熱燈發(fā)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輸圖像的想法。1930年，德國醫(yī)學生Heinrich Lamm通過一束松散的玻璃纖維傳輸了白熾燈泡燈絲的明亮圖像。他的目標是制造一種柔性內(nèi)窺鏡來觀察胃部，但他無法進一步前進。
第二次世界大戰(zhàn)后，其他人試圖通過松散、裸露的纖維束傳輸圖像，但受到高損耗的阻礙。第一個提出解決方案的是1951年的Brian O'Brien，當時他既是OSA（現(xiàn)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認識到光纖是用于傳輸無線電信號的塑料介電棒的光學對應物，因為兩者都是沿其長度傳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，并將它們?nèi)诨谝黄穑晒α?。在他拉?0英尺的纖維后，他可以透過纖維看到熔爐發(fā)出的光芒。他的實驗為實用的醫(yī)療內(nèi)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系學生時，就有了實用醫(yī)療內(nèi)窺鏡的想法。
一家在其他光學領域也有創(chuàng)新的美國眼鏡制造商——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，然后把它們拉成剛性的熔融棒。當單個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將其識別為模態(tài)圖案，一直下降到單模。單模光纖傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)后來被證明對光纖通信非常重要。
1961年，首臺光纖激光器
20世紀20年代末的實驗證明了受激輻射的存在。后來，為了尋找更高頻率的微波光譜學源，Charles Townes發(fā)現(xiàn)了如何放大受激發(fā)射。微波光譜學是他在美國哥倫比亞大學的主要興趣，1951年，他靈機一動，認為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(fā)的分子與基態(tài)的分子分離，并將激發(fā)的分子引導到一個在24 GHz微波轉(zhuǎn)換處產(chǎn)生共振的空腔中，從而制造出了第一個脈澤源（maser source）。
1957年，Townes轉(zhuǎn)向制作光學版的脈澤器，這帶來了不同的挑戰(zhàn)：使用什么發(fā)光材料、如何將原子或分子激發(fā)到高能級，以及如何設計一個諧振腔。其他人緊隨其后，但這個問題是一個棘手的問題。Theodore Maiman和O’Brien一樣，擁有工程和物理學學位，通過用商業(yè)攝影閃光燈發(fā)出的白光激發(fā)他熟悉的紅寶石，獲得了成功。
Theodore Maiman（Maiman在第一臺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(fā)布會上宣布了激光的發(fā)明，使光學成為全世界報紙的頭版。盡管小報稱其為“科幻小說中的射線槍”，但它立即被認為是產(chǎn)生新光源的一個突破?？茖W家們在購買了新聞報道中展示的閃光燈并使用它來激發(fā)紅寶石棒后，迅速復制了他的激光。IBM很快就用閃光燈用其他材料制作激光器。同年12月，貝爾實驗室展示了第一臺氣體和連續(xù)波激光器。1961年，美國光學公司的Snitzer從一個帶有摻釹核心的玻璃棒中產(chǎn)生了激光脈沖，這是第一臺光纖激光器。
隨著新激光器的增多，工程師和科學家們尋求使用它們的方法。早期的測試表明，激光可以在鉆石上鉆孔，測量距離并產(chǎn)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(zhàn)后穩(wěn)步增長，通信行業(yè)希望在更高的載波頻率上傳輸信號，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制壟斷機構貝爾系統(tǒng)公司開始開發(fā)一個以50 GHz頻率傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)必須埋在空心金屬波導中，因為大氣會吸收這些頻率的信號。
在為貝爾實驗室提供咨詢時，Townes讓他們對下一代電話系統(tǒng)的光學頻率的更大潛在傳輸能力感興趣。在早期測試顯示激光束在大氣中的傳輸不穩(wěn)定后，貝爾開始研究光波導。貝爾公司傳輸研究負責人Rudolf Kompfner首先想到的是使用空心波導，就像50 GHz系統(tǒng)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/公里，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。
位于美國的康寧玻璃廠已經(jīng)開發(fā)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后，他與他的同事Frank Zimar開始了一個小項目：對耐熱玻璃進行改造，以實現(xiàn)低衰減。當這個項目進展順利時，他雇用了年輕的科學家Donald Keck和Peter Schultz在這個項目上花費更多時間。1970年，他們報告了一種在紅色氦氖激光線上的損耗為17 dB/公里的光纖。
這是一個改變游戲規(guī)則的突破，但第一根低損耗光纖對于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/公里，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輸窗口。他們的損耗在這兩個波長上都低于0.5 dB/公里，這就把長距離光纖的工作轉(zhuǎn)移到了這些頻段。到那時，貝爾公司已經(jīng)完成了現(xiàn)場測試，并悄悄地放棄了50 GHz系統(tǒng)。
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有意義。早期的氣體和固體激光器體積龐大、效率低下，因此，1962年二極管激光器的發(fā)明大大推動了激光通信的發(fā)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鎵二極管的光發(fā)射躍升之后，它很快就出現(xiàn)了，以至于一位參加講座的人認為他們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。
麻省理工學院的團隊并沒有這樣做，但它表明了砷化鎵GaAs是一個非常好的二極管激光器候選材料。在幾周內(nèi)，該團隊和其他三個團隊加入了諧振器，制成了第一批二極管激光器。二極管激光器由半導體制成，是電子領域最熱門的技術，在激光通信方面開始顯得非常有吸引力。
然而，第一批二極管激光器只能在低溫下發(fā)射短暫的脈沖。經(jīng)過十幾年的一系列進展，才實現(xiàn)了可靠的室溫操作。第一步是由Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer發(fā)明的半導體異質(zhì)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獨立小組才展示了二極管激光器的室溫連續(xù)波操作。又過了七年，貝爾實驗室才生產(chǎn)出能夠在室溫下工作一百年的砷化鎵二極管激光器。
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砷化鎵的850納米波段轉(zhuǎn)移到了1310納米波段，在這個波段，石英光纖的色散為零，衰減較低。幸運的是，對于化合物半導體來說，改變二極管中元素的混合物可以改變其發(fā)射線。在這種情況下，在砷化鎵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(chǎn)出在1310納米發(fā)射的InGaAsP激光器，后來也可以在1550納米發(fā)射。雖然有一些小的折衷，但為砷化鎵開發(fā)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，因為根據(jù)他在50 GHz埋入式毫米波導方面的經(jīng)驗，多模傳輸可能導致嚴重的噪聲問題。然而，單模傳輸所需的小纖芯使其很難連接兩段光纖而不漏掉大部分的光。一根850納米的階梯指數(shù)光纖的纖芯直徑必須小于約5微米，才能用于單模操作，這使得光耦合有損失。
將傳輸轉(zhuǎn)移到1310納米改變了規(guī)則。在該波長下，單模芯的直徑約為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(tài)色散和減少衰減，這限制了數(shù)據(jù)傳輸率和傳輸距離，在20世紀80年代初，單模系統(tǒng)從45 Mbit/s和10公里躍升到400 Mbit/s和30公里；到20世紀90年代，最高數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbit/s，技術突破的浪潮開始形成。
傳輸系統(tǒng)的偉大基礎：光纖放大器和WDM
20世紀80年代的長距離光纖傳輸依賴于相隔30至50公里的電光中繼器。每個中繼器將輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電子形式，進行電子放大，然后用電子輸出來驅(qū)動激光，將信號送入下一個跨度。石英光纖已經(jīng)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，但它們的信號質(zhì)量被證明是不夠的。
David Payne在他的實驗室。
這一問題的解決方案來自于激光家族的另一個分支：光纖激光器。
英國南安普敦大學的David Payne發(fā)現(xiàn)，添加到光纖芯中的鉺可以在1550納米的波段內(nèi)發(fā)射，而那里是二氧化硅最透明的地方。在980納米的泵浦下，它是一個很好的光纖放大器，這是一個由InGaAs二極管激光器有效產(chǎn)生的波長。
更好的是，鉺有一個廣泛的增益帶，所以它可以放大1550納米左右的一系列波長，從而實現(xiàn)波分復用（WDM）。將光纖傳輸轉(zhuǎn)移到1550納米涉及一些復雜的工程，以獲得正確的細節(jié)。整個鉺帶的增益是不均勻的，因此需要精密的光學器件來調(diào)整增益，以實現(xiàn)所有波長的均勻功率。轉(zhuǎn)移到1550納米還需要對色散進行補償，在1310納米時色散為零。但處理這些復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。
這個時機似乎很完美，因為在20世紀90年代，互聯(lián)網(wǎng)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(fā)展。此前默默無聞的光學公司的股票飆升，市場大師們預測了一個光輝的未來。然而，最終，光學技術的巨大進步做了一個沒有人認為可能的事情：提供了太多的帶寬。
在此后的許多年里，運營商可以用幾分錢的價格購買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。他們得到了實惠，因為大多數(shù)光纖可以傳輸許多波分復用通道。起初，他們使用每個波長10 Gbit/s，但相干傳輸和數(shù)字信號處理的引入首先將容量提高到每個通道100 Gbit/s，最近又提高到400或800 Gbit/s以應對云計算和流媒體視頻。需要新的大模面積光纖來傳輸最高容量的信號，但它們基本上是古老的階躍折射率單模光纖的改進版，事實證明，它是先進傳輸系統(tǒng)的一個偉大基礎。
回顧歷史，激光、光纖成為技術社會的基石
在過去的半個世紀中，激光和光纖領域取得了一系列的進步。
仔細觀察歷代光纖系統(tǒng)的設計，可以看到光纖、發(fā)射器、接收器、傳輸格式和系統(tǒng)本身的持續(xù)演變。新的技術已經(jīng)被加入：相干傳輸和數(shù)字信號處理已經(jīng)取代了色散管理以提高傳輸能力；此外，它們還延長了已經(jīng)埋在地下的光纖的可用壽命，這是一個很大的優(yōu)勢，因為安裝費用通常比電纜本身要高。
激光技術也在不斷發(fā)展。在早期，大多數(shù)激光器將不超過百分之幾的輸入能量變成輸出?，F(xiàn)在，二極管和光纖激光器可以將一半以上的輸入能量轉(zhuǎn)化為輸出光束。光學泵浦和非線性光學技術增加了可用波長的種類。我們探索得越多，學到的東西就越多，激光和光纖可以為我們做得越多；這些都是不斷推進的突破。
現(xiàn)代激光器和光纖不是單一發(fā)明的產(chǎn)物，而是幾代科學家和工程師的累積創(chuàng)造。貢獻者站在巨人的肩膀上；其他貢獻者現(xiàn)在反過來也站在巨人的肩膀上。這篇文章只能列舉少數(shù)的奠基人。
有些進展比本文論述的時代要早。Snitzer在1961年發(fā)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(fā)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干光通信，但它只是在2010年左右隨著數(shù)字信號處理的出現(xiàn)而變得實用；康寧公司用于提純炊具用熔融石英的材料科學是低損耗光纖的基礎；固體物理學的研究為半導體電子學打開了大門，這又為復合半導體和二極管激光器打開了大門……
通過對光學的革新，激光和光纖為今天光學的大部分工作奠定了基礎。在醫(yī)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(yè)上，它們可以在生產(chǎn)線上定位物體，焊接厚厚的金屬板。激光已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了來自遙遠宇宙的引力波，并創(chuàng)造了迷人而強大的工具，如頻率梳。
而給我們帶來激光和光纖的突破，不僅徹底改變了光學；它們也使光學成為我們技術社會的一個重要元素。
參考鏈接：
https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/january_2023/features/two_breakthroughs_that_revolutionized_optics/
轉(zhuǎn)載請注明出處。
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