导读：20世纪50年代以来，科技范畴掀起了一场光学改造，激光和光纤的诞生，带来了改造性打破。事实上，激光和光纤的诞生也是榜初次量子改造的范畴，由于这些技能的开展是依据对量子规矩的观测和运用。本文出自OPTICA新年首刊，原文标题为《光学改造的两项打破》，文中的中心观念是信息技能的开展不是由任何单一的打破推动的。这关于敞开第2次量子改造的今日仍有重要指导意义。与榜初次量子改造不同，第2次量子改造是人类对量子态的自动调控和操作，然后完成量子信息技能。

　　在1950年，光学是物理学中的一个落后范畴。第2次国际大战推动了光谱学和红外技能的重大开展，但光学好像是一个由镜片和光学仪器组成的没有吸引力的国际。当Jay Last于1951年从美国罗切斯特大学光学研讨所结业时，他的教授Parker Givens说这是在固态物理学中发生的。

　　Last说：“光学是必要的，但它并不震慑；而固态电子学每天都在发明新的东西。”博士结业后，他于1956年搬到加州，一同创立了仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor），这使他处于硅谷的集成电子举动的中心。在那里，他将成为半导体前沿范畴的一员，这也是构成现代信息技能根底的为数不多的重大打破之一，而现代信息技能又为电力工业年代的机器和产品供给了新的功用和增强的功用。

　　巨大的打破自身是一系列行进的产品。首要是机器的编程，始于1804年发明的提花织机，并经过齿轮式核算器和真空管开展起来；其次是半导体电子学，从晶体管开端，开展到集成电子学，其开展速度日新月异。使这两种技能取得巨大打破的原因是它们有才干使自身开展成倍添加，然后拓荒出巨大的新的或许性。提花织机将线重复织成精美的图画；今日的软件操控火箭发射或气候模仿的杂乱操作。半导体电子技能开端时是真空管的微型版别，但现在现已成倍地添加为强壮的核算机器。

　　但是，编程和集成电子产品仅仅信息技能的一部分。假如核算机器不能彼此交流，它们依然功用有限；运送它们处理和发生的巨大信息量需求一个全球性的、高容量的网络。

　　树立这样一个网络是光的作业，由别的两项巨大的打破来完成：激光和光纤。激光供给对光的巨大操控，使其成为单色的，并在空间和时刻单位上严密地聚集到飞秒。光纤将原本会散失的光线导入波导，并经过简直彻底通明的玻璃制成的细如发丝的纤维将其传送到国际各地。

　　值得留意的是，核算机的功率和光通讯的传输才干现已快速添加。自20世纪80年代以来，芯片上晶体管数量的添加遵从摩尔规律，与光纤传输才干的添加同步进行。信息技能的开展不是由任何单一的打破推动的，而是由软件、半导体电子学、激光和光纤这四项重大打破的互补性组合演化而来。

　　光学打破的榜初次震动呈现在20世纪50年代中期。榜首根玻璃包覆的光纤在1956年12月初次露脸，1957年2月，一位医生在患者的嗓子里测验了一个光纤胃镜。同年晚些时候，开端了制造激光器的尽力，并在1960年以榜初次激光演示。光纤能够在角落处引导光。激光发明晰一种新的光的方式：相干、并会集在一个狭隘的光束中。旧的光是白色的，向各个方向分散；新的光在波长和方向上遭到严厉的操控。

　　1841年，瑞士物理学家Jean-Diel Colladon初次演示了全内反射光导，将光线年，《天然》杂志上刊登了他的“光喷泉”插图。

　　这两项打破都是从19世纪末和20世纪初的新物理学中发生的。光纤的本源在于传统的全内反射概念，但波导的概念则源于麦克斯韦的电磁波理论。激光发生于受激起射的概念，爱因斯坦在1916年对马克斯-普朗克的辐射规律剖析中提出了这一概念。跟着理论和试验常识的扩展，以及技能的开展，光纤和激光都渐渐老练起来。

　　当然，光纤和激光的前史故事现已被叙述了很屡次。但它们值得再次一同研讨。回顾过去，咱们当然能够指出里程碑式的成果：1956年榜首根玻璃包层光纤、1960年榜首台激光器、1970年榜首根低损耗光纤。但是，将光学转变为重要科技的是一系列重要的开展，这些开展是由许多站在伟人膀子上的人在几十年里取得的。

　　全内反射在17世纪前期就现已被人们所知，但动摇理论直到19世纪前期才干够解说它。榜首个有用的光导是曲折的玻璃棒，在20世纪初运用，用热灯宣告的光照亮牙科患者的口腔，这或许导致了将玻璃纤维绑缚在一同传输图画的主意。1930年，德国医学生Heinrich Lamm经过一束松懈的玻璃纤维传输了白炽灯泡灯丝的亮堂图画。他的方针是制造一种柔性内窥镜来调查胃部，但他无法进一步行进。

　　第2次国际大战后，其他人企图经过松懈、的纤维束传输图画，但遭到高损耗的阻止。榜首个提出解决方案的是1951年的Brian OBrien，其时他既是OSA（现在的Optica）总裁，也是罗切斯特大学光学研讨所所长。凭仗电气工程和物理学的学位，OBrien认识到光纤是用于传输无线电信号的塑料介电棒的光学对应物，由于两者都是沿其长度传导电磁波的非导电波导。他意识到，用较低折射率的资料包覆光纤能够削减光走漏到空气中。

　　问题是要找到一种适合做包层的低折射率通明资料。1956年，美国密歇根大学的本科生Larry Curtiss将一根高折射率的玻璃棒刺进一根低折射率的管子，并将它们消融在一同，成功了。在他拉出40英尺的纤维后，他能够透过纤维看到熔炉宣告的光芒。他的试验为有用的医疗内窥镜打开了大门，这是纤维光学的前期首要运用。

　　一家在其他光学范畴也有立异的美国眼镜制造商——美国光学公司（American Optical Company），走了一条不同的路：把许多细的纤维棒堆在一同，然后把它们拉成刚性的熔融棒。当单个纤芯的直径到达几微米时，在该公司作业的Will Hicks留意到了古怪的图画，他的搭档Elias Snitzer将其识别为模态图画，一直下降到单模。单模光纤传输的发现后来被证明对光纤通讯十分重要。

　　20世纪20年代末的试验证明晰受激辐射的存在。后来，为了寻觅更高频率的微波光谱学源，Charles Townes发现了怎么扩大受激起射。微波光谱学是他在美国哥伦比亚大学的首要爱好，1951年，他灵机一动，认为分子过渡或许供给所需的高频。1954年，他的学生James Gordon经过将激起的分子与基态的分子别离，并将激起的分子引导到一个在24 GHz微波转化处发生共振的空腔中，然后制造出了榜首个脉泽源（maser source）。

　　1957年，Townes转向制造光学版的脉泽器，这带来了不同的应战：运用什么发光资料、怎么将原子或分子激起到高能级，以及怎么规划一个谐振腔。其他人紧随其后，但这个问题是一个扎手的问题。Theodore Maiman和O’Brien相同，具有工程和物理学学位，经过用商业拍摄闪光灯宣告的白光激起他了解的红宝石，取得了成功。

　　Theodore Maiman（Maiman在榜首台激光器中实际运用的闪光灯是另一种更小的闪光灯。）

　　Maiman在1960年7月7日的新闻发布会上宣告了激光的发明，使光学成为全国际报纸的头版。虽然小报称其为“科幻小说中的射线枪”，但它立即被认为是发生新光源的一个打破。科学家们在购买了新闻报道中展现的闪光灯并运用它来激起红宝石棒后，敏捷仿制了他的激光。IBM很快就用闪光灯用其他资料制造激光器。同年12月，贝尔试验室展现了榜首台气体和接连波激光器。1961年，美国光学公司的Snitzer从一个带有掺钕中心的玻璃棒中发生了激光脉冲，这是榜首台光纤激光器。

　　跟着新激光器的增多，工程师和科学家们寻求运用它们的办法。前期的测验标明，激光能够在钻石上钻孔，丈量间隔并发生非线性效应。在其他潜在的运用中，最重要的是激光束通讯。

　　播送和长途电话在第2次国际大战后稳步添加，通讯职业期望在更高的载波频率上传输信号，供给更宽的带宽。

　　在20世纪50年代，在美国供给电话服务的受控制独占组织贝尔体系公司开端开发一个以50 GHz频率传输的体系，该体系有必要埋在空心金属波导中，由于大气会吸收这些频率的信号。

　　在为贝尔试验室供给咨询时，Townes让他们对下一代电话体系的光学频率的更大潜在传输才干感爱好。在前期测验显现激光束在大气中的传输不稳定后，贝尔开端研讨光波导。贝尔公司传输研讨负责人Rudolf Kompfner首要想到的是运用空心波导，就像50 GHz体系中运用的那样。他还要求他的一名职工找出商场上最明晰的光纤的损耗；答案是大约1000 dB/公里，明显对通讯来说是不行的，所以贝尔寻求空心光波导。

　　坐落美国的康宁玻璃厂现已开宣告能够接受高温烘烤的超纯石英玻璃。当康宁公司的Robert Maurer听说了高锟对超通明玻璃的研讨后，他与他的搭档Frank Zimar开端了一个小项目：对耐热玻璃进行改造，以完成低衰减。当这个项目开展顺畅时，他雇用了年青的科学家Donald Keck和Peter Schultz在这个项目上花费更多时刻。1970年，他们陈述了一种在赤色氦氖激光线 dB/公里的光纤。

　　这是一个改动游戏规矩的打破，但榜首根低损耗光纤关于实际运用来说太软弱了。1972年，康宁公司陈述说，在850纳米处的损耗下降到了4 dB/公里，在中心部分添加锗使光纤愈加经用。1976年，日本NTT茨城试验室的Masaharu Horiguchi和日本藤仓电缆的Hiroshi Osanai在1.3微米的零色散波长和1.55微米的光纤损耗最小值处打开了传输窗口。他们的损耗在这两个波长上都低于0.5 dB/公里，这就把长间隔光纤的作业搬运到了这些频段。到那时，贝尔公司现已完成了现场测验，并悄悄地抛弃了50 GHz体系。

　　假如没有激光功用的打破，光纤损耗的打破就不会有意义。前期的气体和固体激光器体积巨大、功率低下，因而，1962年二极管激光器的发明大大推动了激光通讯的开展。在美国麻省理工学院（MIT）林肯试验室的研讨人员陈述了砷化镓二极管的光发射跃升之后，它很快就呈现了，以至于一位参与讲座的人认为他们违反了热力学第二规律。

　　麻省理工学院的团队并没有这样做，但它标明晰砷化镓GaAs是一个十分好的二极管激光器候选资料。在几周内，该团队和其他三个团队参加了谐振器，制成了榜首批二极管激光器。二极管激光器由半导体制成，是电子范畴最抢手的技能，在激光通讯方面开端显得十分有吸引力。

　　但是，榜首批二极管激光器只能在低温下发射时间短的脉冲。经过十几年的一系列开展，才完成了牢靠的室温操作。榜首步是由Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer发明的半导体异质结构取得诺贝尔奖，但直到1970年，Alferov的小组和贝尔试验室的一个独立小组才展现了二极管激光器的室温接连波操作。又过了七年，贝尔试验室才出产出能够在室温下作业一百年的砷化镓二极管激光器。

　　具有挖苦意味的是，就在同一时刻，长波长光纤窗口的敞开将抱负的波长从砷化镓的850纳米波段搬运到了1310纳米波段，在这个波段，石英光纤的色散为零，衰减较低。走运的是，关于化合物半导体来说，改动二极管中元素的混合物能够改动其发射线。在这种情况下，在砷化镓中参加铟和磷能够添加它的波长，所以没过多久就能够出产出在1310纳米发射的InGaAsP激光器，后来也能够在1550纳米发射。虽然有一些小的折衷，但为砷化镓开发的工艺对InGaAsP的大部分长波长都是有用的。

　　高锟的开端提议要求运用单模光纤，由于依据他在50 GHz埋入式毫米波导方面的经历，多模传输或许导致严峻的噪声问题。但是，单模传输所需的小纤芯使其很难衔接两段光纤而不漏掉大部分的光。一根850纳米的阶梯指数光纤的纤芯直径有必要小于约5微米，才干用于单模操作，这使得光耦合有丢失。

　　将传输搬运到1310纳米改动了规矩。在该波长下，单模芯的直径约为9微米，并且机械衔接的公役也得到了改善。但最大的优点是消除了模态色散和削减衰减，这约束了数据传输率和传输间隔，在20世纪80年代初，单模体系从45 Mbit/s和10公里跃升到400 Mbit/s和30公里；到20世纪90年代，最高数据速率为2.5 Gbit/s，技能打破的浪潮开端构成。

　　20世纪80年代的长间隔光纤传输依赖于相隔30至50公里的电光中继器。每个中继器将输入的光信号转化为电子方式，进行电子扩大，然后用电子输出来驱动激光，将信号送入下一个跨度。石英光纤现已挨近其或许的最小衰减，并且无法找到更好的纤维资料。半导体光扩大器（没有谐振器的二极管激光器）好像是合乎逻辑的下一步，但它们的信号质量被证明是不行的。

　　英国南安普敦大学的David Payne发现，添加到光纤芯中的铒能够在1550纳米的波段内发射，而那里是二氧化硅最通明的当地。在980纳米的泵浦下，它是一个很好的光纤扩大器，这是一个由InGaAs二极管激光器有用发生的波长。

　　更好的是，铒有一个广泛的增益带，所以它能够扩大1550纳米左右的一系列波长，然后完成波分复用（WDM）。将光纤传输搬运到1550纳米触及一些杂乱的工程，以取得正确的细节。整个铒带的增益是不均匀的，因而需求精细的光学器材来调整增益，以完成一切波长的均匀功率。搬运到1550纳米还需求对色散进行补偿，在1310纳米时色散为零。但处理这些杂乱问题使单根光纤的带宽添加了近百倍，而此刻其他改善办法已将光纤带宽进步了4倍，到达10 Gbit/s。

　　这个机遇好像很完美，由于在20世纪90年代，互联网流量正在飞速添加，用户和运营商都需求更多的带宽。这种添加使得电信商场在20世纪90年代蓬勃开展。此前默默无闻的光学公司的股票飙升，商场大师们猜测了一个光芒的未来。但是，终究，光学技能的巨大行进做了一个没有人认为或许的作业：供给了太多的带宽。

　　在尔后的许多年里，运营商能够用几分钱的价格购买泡沫时期装置的暗阶跃折射率单模光纤，以供给更多的带宽。他们得到了实惠，由于大多数光纤能够传输许多波分复用通道。起先，他们运用每个波长10 Gbit/s，但相干传输和数字信号处理的引进首要将容量进步到每个通道100 Gbit/s，最近又进步到400或800 Gbit/s以应对云核算和流媒体视频。需求新的大模面积光纤来传输最高容量的信号，但它们基本上是陈旧的阶跃折射率单模光纤的改善版，事实证明，它是先进传输体系的一个巨大根底。

　　仔细调查历代光纤体系的规划，能够看到光纤、发射器、接收器、传输格局和体系自身的继续演化。新的技能现已被参加：相干传输和数字信号处理现已替代了色散办理以进步传输才干；此外，它们还延长了现已埋在地下的光纤的可用寿数，这是一个很大的优势，由于装置费用一般比电缆自身要高。

　　激光技能也在不断开展。在前期，大多数激光器将不超越百分之几的输入能量变成输出。现在，二极管和光纤激光器能够将一半以上的输入能量转化为输出光束。光学泵浦和非线性光学技能添加了可用波长的品种。咱们探索得越多，学到的东西就越多，激光和光纤能够为咱们做得越多；这些都是不断推动的打破。

　　现代激光器和光纤不是单一发明的产品，而是几代科学家和工程师的累积发明。贡献者站在伟人的膀子上；其他贡献者现在反过来也站在伟人的膀子上。这篇文章只能罗列少量的奠基人。

　　有些开展比本文论说的年代要早。Snitzer在1961年发明晰光纤激光器，但这项技能要到二极管激光器老练到足以供给泵浦源时才干发挥其效果；贝尔试验室在20世纪60年代展现了空心波导中的相干光通讯，但它仅仅在2010年左右跟着数字信号处理的呈现而变得有用；康宁公司用于提纯炊具用熔融石英的资料科学是低损耗光纤的根底；固体物理学的研讨为半导体电子学打开了大门，这又为复合半导体和二极管激光器打开了大门……

　　经过对光学的改造，激光和光纤为今日光学的大部分作业奠定了根底。在医学上，激光和光纤能够进行灵敏的丈量或进行抢救生命的手术。在工业上，它们能够在出产线上定位物体，焊接厚厚的金属板。激光现已发现了来自悠远世界的引力波，并发明晰诱人而强壮的东西，如频率梳。

　　而给咱们带来激光和光纤的打破，不只彻底改动了光学；它们也使光学成为咱们技能社会的一个重要元素。