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导读：20世纪50年代以来，科技领域掀起了一场光学革命，激光和光纤的诞生，带来了革命性突破。事实上，激光和光纤的诞生也是第一次量子革命的范畴，因为这些技术的发展是基于对量子规律的观测和应用。本文出自OPTICA新年首刊，原文标题为《光学革命的两项突破》，文中的核心观点是信息技术的发展不是由任何单一的突破推动的。这对于开启第二次量子革命的今天仍有重要指导意义。与第一次量子革命不同，第二次量子革命是人类对量子态的主动调控和操纵，从而实现量子信息技术。
激光和光纤的共同历史说明了真正革命性突破的发展都是相似的。
在1950年，光学是物理学中的一个落后领域。第二次世界大战推动了光谱学和红外技术的重大进展，但光学似乎是一个由镜片和光学仪器组成的没有吸引力的世界。当Jay Last于1951年从美国罗切斯特大学光学研究所毕业时，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，但它并不震撼；而固态电子学每天都在创造新的东西。”博士毕业后，他于1956年搬到加州，共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行动的中心。在那里，他将成为半导体前沿领域的一员，这也是构成现代信息技术基础的为数不多的重大突破之一，而现代信息技术又为电力工业时代的机器和产品提供了新的功能和增强的性能。
伟大的突破本身是一系列进步的产物。首先是机器的编程，始于1804年发明的提花织机，并通过齿轮式计算器和真空管发展起来；其次是半导体电子学，从晶体管开始，发展到集成电子学，其发展速度突飞猛进。使这两种技术取得巨大突破的原因是它们有能力使自身进展成倍增长，从而开辟出巨大的新的可能性。提花织机将线反复织成精致的图案；今天的软件控制火箭发射或气候模拟的复杂操作。半导体电子技术开始时是真空管的微型版本，但现在已经成倍地增长为强大的计算机器。
然而，编程和集成电子产品只是信息技术的一部分。如果计算机器不能相互沟通，它们仍然功能有限；运输它们处理和产生的巨大信息量需要一个全球性的、高容量的网络。
建立这样一个网络是光的工作，由另外两项伟大的突破来实现：激光和光纤。激光提供对光的巨大控制，使其成为单色的，并在空间和时间单位上紧密地聚焦到飞秒。光纤将原本会消散的光线导入波导，并通过几乎完全透明的玻璃制成的细如发丝的纤维将其传送到世界各地。
值得注意的是，计算机的功率和光通信的传输能力已经快速增长。自20世纪80年代以来，芯片上晶体管数量的增长遵循摩尔定律，与光纤传输能力的增长同步进行。信息技术的发展不是由任何单一的突破推动的，而是由软件、半导体电子学、激光和光纤这四项重大突破的互补性组合演变而来。
左图：光纤，贝尔实验室，1976年。右图：通用电气的激光辅助加工，1975年。
20世纪中叶：光学复兴
光学突破的第一次震荡出现在20世纪50年代中期。第一根玻璃包覆的光纤在1956年12月首次亮相，1957年2月，一位医生在病人的喉咙里测试了一个光纤胃镜。同年晚些时候，开始了制造激光器的努力，并在1960年以第一次激光演示。光纤可以在拐角处引导光。激光创造了一种新的光的形式：相干、并集中在一个狭窄的光束中。旧的光是白色的，向各个方向扩散；新的光在波长和方向上受到严格的控制。
1841年，瑞士物理学家Jean-Diel Colladon首次演示了全内反射光导，将光线对准水流；1884年，《自然》杂志上刊登了他的“光喷泉”插图。
这两项突破都是从19世纪末和20世纪初的新物理学中产生的。光纤的根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。激光产生于受激发射的概念，爱因斯坦在1916年对马克斯-普朗克的辐射定律分析中提出了这一概念。随着理论和实验知识的扩展，以及技术的发展，光纤和激光都慢慢成熟起来。
当然，光纤和激光的历史故事已经被讲述了很多次。但它们值得再次一起研究。回顾过去，我们当然可以指出里程碑式的成就：1956年第一根玻璃包层光纤、1960年第一台激光器、1970年第一根低损耗光纤。然而，将光学转变为重要科技的是一系列重要的进展，这些进展是由许多站在巨人肩膀上的人在几十年里取得的。
全内反射和光纤
全内反射在17世纪早期就已经被人们所知，但波动理论直到19世纪早期才能够解释它。第一个实用的光导是弯曲的玻璃棒，在20世纪初使用，用热灯发出的光照亮牙科患者的口腔，这可能导致了将玻璃纤维捆绑在一起传输图像的想法。1930年，德国医学生Heinrich Lamm通过一束松散的玻璃纤维传输了白炽灯泡灯丝的明亮图像。他的目标是制造一种柔性内窥镜来观察胃部，但他无法进一步前进。
第二次世界大战后，其他人试图通过松散、裸露的纤维束传输图像，但受到高损耗的阻碍。第一个提出解决方案的是1951年的Brian O'Brien，当时他既是OSA（现在的Optica）总裁，也是罗切斯特大学光学研究所所长。凭借电气工程和物理学的学位，O'Brien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，因为两者都是沿其长度传导电磁波的非导电波导。他意识到，用较低折射率的材料包覆光纤可以减少光泄漏到空气中。
问题是要找到一种适合做包层的低折射率透明材料。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插入一根低折射率的管子，并将它们融化在一起，成功了。在他拉出40英尺的纤维后，他可以透过纤维看到熔炉发出的光芒。他的实验为实用的医疗内窥镜打开了大门，这是纤维光学的早期主要应用。
Larry Curtiss在美国密歇根大学当物理系学生时，就有了实用医疗内窥镜的想法。
一家在其他光学领域也有创新的美国眼镜制造商——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起，然后把它们拉成刚性的熔融棒。当单个纤芯的直径达到几微米时，在该公司工作的Will Hicks注意到了奇怪的图案，他的同事Elias Snitzer将其识别为模态图案，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信非常重要。
1961年，首台光纤激光器
20世纪20年代末的实验证明了受激辐射的存在。后来，为了寻找更高频率的微波光谱学源，Charles Townes发现了如何放大受激发射。微波光谱学是他在美国哥伦比亚大学的主要兴趣，1951年，他灵机一动，认为分子过渡可能提供所需的高频。1954年，他的学生James Gordon通过将激发的分子与基态的分子分离，并将激发的分子引导到一个在24 GHz微波转换处产生共振的空腔中，从而制造出了第一个脉泽源（maser source）。
1957年，Townes转向制作光学版的脉泽器，这带来了不同的挑战：使用什么发光材料、如何将原子或分子激发到高能级，以及如何设计一个谐振腔。其他人紧随其后，但这个问题是一个棘手的问题。Theodore Maiman和O’Brien一样，拥有工程和物理学学位，通过用商业摄影闪光灯发出的白光激发他熟悉的红宝石，获得了成功。
Theodore Maiman（Maiman在第一台激光器中实际使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布了激光的发明，使光学成为全世界报纸的头版。尽管小报称其为“科幻小说中的射线枪”，但它立即被认为是产生新光源的一个突破。科学家们在购买了新闻报道中展示的闪光灯并使用它来激发红宝石棒后，迅速复制了他的激光。IBM很快就用闪光灯用其他材料制作激光器。同年12月，贝尔实验室展示了第一台气体和连续波激光器。1961年，美国光学公司的Snitzer从一个带有掺钕核心的玻璃棒中产生了激光脉冲，这是第一台光纤激光器。
随着新激光器的增多，工程师和科学家们寻求使用它们的方法。早期的测试表明，激光可以在钻石上钻孔，测量距离并产生非线性效应。在其他潜在的应用中，最重要的是激光束通信。
激光和光通信
广播和长途电话在第二次世界大战后稳步增长，通信行业希望在更高的载波频率上传输信号，提供更宽的带宽。
在20世纪50年代，在美国提供电话服务的受管制垄断机构贝尔系统公司开始开发一个以50 GHz频率传输的系统，该系统必须埋在空心金属波导中，因为大气会吸收这些频率的信号。
在为贝尔实验室提供咨询时，Townes让他们对下一代电话系统的光学频率的更大潜在传输能力感兴趣。在早期测试显示激光束在大气中的传输不稳定后，贝尔开始研究光波导。贝尔公司传输研究负责人Rudolf Kompfner首先想到的是使用空心波导，就像50 GHz系统中使用的那样。他还要求他的一名员工找出市场上最清晰的光纤的损耗；答案是大约1000 dB/公里，显然对通信来说是不够的，所以贝尔追求空心光波导。
华裔物理学家高锟在英国的标准电信实验室测量熔融石英的透明度。
位于美国的康宁玻璃厂已经开发出能够承受高温烘烤的超纯石英玻璃。当康宁公司的Robert Maurer听说了高锟对超透明玻璃的研究后，他与他的同事Frank Zimar开始了一个小项目：对耐热玻璃进行改造，以实现低衰减。当这个项目进展顺利时，他雇用了年轻的科学家Donald Keck和Peter Schultz在这个项目上花费更多时间。1970年，他们报告了一种在红色氦氖激光线上的损耗为17 dB/公里的光纤。
这是一个改变游戏规则的突破，但第一根低损耗光纤对于实际使用来说太脆弱了。1972年，康宁公司报告说，在850纳米处的损耗降低到了4 dB/公里，在核心部分添加锗使光纤更加耐用。1976年，日本NTT茨城实验室的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，这就把长距离光纤的工作转移到了这些频段。到那时，贝尔公司已经完成了现场测试，并悄悄地放弃了50 GHz系统。
又一突破：二极管激光器
如果没有激光性能的突破，光纤损耗的突破就不会有意义。早期的气体和固体激光器体积庞大、效率低下，因此，1962年二极管激光器的发明大大推动了激光通信的发展。在美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的研究人员报告了砷化镓二极管的光发射跃升之后，它很快就出现了，以至于一位参加讲座的人认为他们违反了热力学第二定律。
麻省理工学院（MIT）林肯实验室的早期二极管激光器特写。
麻省理工学院的团队并没有这样做，但它表明了砷化镓GaAs是一个非常好的二极管激光器候选材料。在几周内，该团队和其他三个团队加入了谐振器，制成了第一批二极管激光器。二极管激光器由半导体制成，是电子领域最热门的技术，在激光通信方面开始显得非常有吸引力。
然而，第一批二极管激光器只能在低温下发射短暂的脉冲。经过十几年的一系列进展，才实现了可靠的室温操作。第一步是由Zhores I. Alferov和Herbert Kroemer发明的半导体异质结构获得诺贝尔奖，但直到1970年，Alferov的小组和贝尔实验室的一个独立小组才展示了二极管激光器的室温连续波操作。又过了七年，贝尔实验室才生产出能够在室温下工作一百年的砷化镓二极管激光器。
具有讽刺意味的是，就在同一时间，长波长光纤窗口的开放将理想的波长从砷化镓的850纳米波段转移到了1310纳米波段，在这个波段，石英光纤的色散为零，衰减较低。幸运的是，对于化合物半导体来说，改变二极管中元素的混合物可以改变其发射线。在这种情况下，在砷化镓中加入铟和磷可以增加它的波长，所以没过多久就可以生产出在1310纳米发射的InGaAsP激光器，后来也可以在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效的。
接踵而至的技术突破：单模光纤
高锟的最初提议要求使用单模光纤，因为根据他在50 GHz埋入式毫米波导方面的经验，多模传输可能导致严重的噪声问题。然而，单模传输所需的小纤芯使其很难连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必须小于约5微米，才能用于单模操作，这使得光耦合有损失。
将传输转移到1310纳米改变了规则。在该波长下，单模芯的直径约为9微米，而且机械连接的公差也得到了改善。但最大的好处是消除了模态色散和减少衰减，这限制了数据传输率和传输距离，在20世纪80年代初，单模系统从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，技术突破的浪潮开始形成。
传输系统的伟大基础：光纤放大器和WDM
20世纪80年代的长距离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换为电子形式，进行电子放大，然后用电子输出来驱动激光，将信号送入下一个跨度。石英光纤已经接近其可能的最小衰减，而且无法找到更好的纤维材料。半导体光放大器（没有谐振器的二极管激光器）似乎是合乎逻辑的下一步，但它们的信号质量被证明是不够的。
David Payne在他的实验室。
这一问题的解决方案来自于激光家族的另一个分支：光纤激光器。
英国南安普敦大学的David Payne发现，添加到光纤芯中的铒可以在1550纳米的波段内发射，而那里是二氧化硅最透明的地方。在980纳米的泵浦下，它是一个很好的光纤放大器，这是一个由InGaAs二极管激光器有效产生的波长。
更好的是，铒有一个广泛的增益带，所以它可以放大1550纳米左右的一系列波长，从而实现波分复用（WDM）。将光纤传输转移到1550纳米涉及一些复杂的工程，以获得正确的细节。整个铒带的增益是不均匀的，因此需要精密的光学器件来调整增益，以实现所有波长的均匀功率。转移到1550纳米还需要对色散进行补偿，在1310纳米时色散为零。但处理这些复杂问题使单根光纤的带宽增加了近百倍，而此时其他改进措施已将光纤带宽提高了4倍，达到10 Gbit/s。
这个时机似乎很完美，因为在20世纪90年代，互联网流量正在飞速增长，用户和运营商都需要更多的带宽。这种增长使得电信市场在20世纪90年代蓬勃发展。此前默默无闻的光学公司的股票飙升，市场大师们预测了一个光辉的未来。然而，最终，光学技术的巨大进步做了一个没有人认为可能的事情：提供了太多的带宽。
在此后的许多年里，运营商可以用几分钱的价格购买泡沫时期安装的暗阶跃折射率单模光纤，以提供更多的带宽。他们得到了实惠，因为大多数光纤可以传输许多波分复用通道。起初，他们使用每个波长10 Gbit/s，但相干传输和数字信号处理的引入首先将容量提高到每个通道100 Gbit/s，最近又提高到400或800 Gbit/s以应对云计算和流媒体视频。需要新的大模面积光纤来传输最高容量的信号，但它们基本上是古老的阶跃折射率单模光纤的改进版，事实证明，它是先进传输系统的一个伟大基础。
回顾历史，激光、光纤成为技术社会的基石
在过去的半个世纪中，激光和光纤领域取得了一系列的进步。
仔细观察历代光纤系统的设计，可以看到光纤、发射器、接收器、传输格式和系统本身的持续演变。新的技术已经被加入：相干传输和数字信号处理已经取代了色散管理以提高传输能力；此外，它们还延长了已经埋在地下的光纤的可用寿命，这是一个很大的优势，因为安装费用通常比电缆本身要高。
激光技术也在不断发展。在早期，大多数激光器将不超过百分之几的输入能量变成输出。现在，二极管和光纤激光器可以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术增加了可用波长的种类。我们探索得越多，学到的东西就越多，激光和光纤可以为我们做得越多；这些都是不断推进的突破。
现代激光器和光纤不是单一发明的产物，而是几代科学家和工程师的累积创造。贡献者站在巨人的肩膀上；其他贡献者现在反过来也站在巨人的肩膀上。这篇文章只能列举少数的奠基人。
有些进展比本文论述的时代要早。Snitzer在1961年发明了光纤激光器，但这项技术要到二极管激光器成熟到足以提供泵浦源时才能发挥其作用；贝尔实验室在20世纪60年代展示了空心波导中的相干光通信，但它只是在2010年左右随着数字信号处理的出现而变得实用；康宁公司用于提纯炊具用熔融石英的材料科学是低损耗光纤的基础；固体物理学的研究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……
通过对光学的革新，激光和光纤为今天光学的大部分工作奠定了基础。在医学上，激光和光纤可以进行敏感的测量或进行挽救生命的手术。在工业上，它们可以在生产线上定位物体，焊接厚厚的金属板。激光已经发现了来自遥远宇宙的引力波，并创造了迷人而强大的工具，如频率梳。
而给我们带来激光和光纤的突破，不仅彻底改变了光学；它们也使光学成为我们技术社会的一个重要元素。
参考链接：
https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_34/january_2023/features/two_breakthroughs_that_revolutionized_optics/
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