趙梓森: 中國光纖通信發(fā)展的回顧

　　1 引言

　　中國上海出生的英/美籍華人高錕(Charles K Kao)，1966年在英國BTRL(英國電信研究實驗室)的論文上，提出玻璃絲的損失可低達20 dB/km，可用于通信。當時絕大多數(shù)人不相信，因為，當時世界上最好的光學玻璃是德國的Ziss照相機鏡頭，其損失是700 dB/km，常規(guī)玻璃損失約為x萬dB/km。但BTRL的領(lǐng)導、美國Bell實驗室和世界最大的玻璃公司Corning(康寧)相信。據(jù)說，美國康寧玻璃公司花了3 000萬美元，研制出3根長30 m、損失為20 dB/km的光纖，認為值得。因為光的頻率和帶寬是電的千萬倍，意味著光纖將會引起一場通信技術(shù)的革命!!!

　　2009年，高錕博士因發(fā)明光纖通信而獲得Nobel(諾貝爾)獎金。此時，在美國的高錕已患老年癡呆癥，不能回答記者的問題。中國的記者問我“為什么高錕1966年發(fā)明光纖通信，在2009年才得獎”，我說：“1970年，美國康寧公司研制出可用于通信的光纖，1976年世界第一條民用的光纖通信線路在美國華盛頓到亞特蘭大間開通，信息速率只有45 Mbit/s，光源是LED，所以速率不高，還比不過同軸電纜。1988年美國才研制出可用于通信的激光器，但電子技術(shù)是幾十 Mbit/s量級，體現(xiàn)不出光纖通信容量大的優(yōu)點。現(xiàn)在有了幾十 Gbit/s的電子技術(shù)，充分發(fā)揮了光纖通信的優(yōu)越性。人們真正感覺到光纖通信巨大的優(yōu)越性!

　　現(xiàn)在，光纖構(gòu)成了通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和電視網(wǎng)，光纖通信已是人們生活和工作的必需品。

　　2016年是高錕提出采用光纖通信的50周年紀念，特寫此文作為回顧紀念，特別是回顧中國光纖通信的發(fā)展。本人是中國光纖通信創(chuàng)始人之一，回顧中國光纖通信的發(fā)展，從中吸取成功的經(jīng)驗和失敗的教訓是有益的，經(jīng)歷令人感慨!

　　1969年，中國處于“文化大革命”時期，武漢郵電科學研究院(以下簡稱武漢院)屬于北京郵電科學研究院(以下簡稱北京院)的管轄，北京院把國家科研項目“激光大氣傳輸通信”以及項目執(zhí)行人員(十余人)移到武漢院。1971年，武漢院的領(lǐng)導即外來的軍管軍代表許奎認為“激光大氣傳輸通信進展太慢，讓技術(shù)好的趙梓森去搞一下”，讓我擔任該項目的負責人。我問：“為什么這樣慢”，科研人員回答：“無儀表，如平行光管，一年后才交貨”。當時，全中國的工作都不正常。我引用毛主席語錄說“土法上馬”，太陽光是平行光，可利用它來校正拋物面天線聚焦。大家把天線搬到屋頂，利用太陽校正了天線，很成功。之后，我們把整個激光大氣通信設(shè)備，搬到當時武漢市最高的建筑——六渡橋的水塔和青山的水運工程學院的某高樓，實現(xiàn)了“大氣傳輸激光通信”，距離約10 km。又請省科學技術(shù)委員會(以下簡稱省科委)領(lǐng)導做報告，經(jīng)大氣光通信傳輸，全體院職工在武漢院的大在禮堂收聽，很成功。

　　領(lǐng)導很高興。但我并不高興，因為我知道，下雨下雪，光大氣傳輸通不了信!即不能“全天候”，郵電不能用!

　　1972年底，我聽說美國在研究“光纖通信”——利用玻璃絲進行通信。我意識到光通信有希望。我提出要發(fā)展“光纖通信”的科研項目。但絕大多數(shù)人反對，包括郵電部、武漢院和北京院的領(lǐng)導。有領(lǐng)導在幾十人的會上說：“玻璃絲怎么能通信!趙梓森你不要胡搞，要花幾千萬，你負得了責嗎?”因為，當時美國的光纖通信尚未使用，又因為“文化大革命”，中國與世隔絕，難怪大家不知道。而個別領(lǐng)導，如時任郵電部科技司副司長周華生和時任武漢院科技處處長惠哨崗表示支持，說“可以試試”。此時武漢院已經(jīng)獨立，由郵電部直接領(lǐng)導，不再由北京院管轄。

　　由于大多數(shù)領(lǐng)導對于光纖通信不理解，把光纖通信作為可有可無的小項目。所以，我只有很少的錢，只有幾個人，如黃定國(自愿參加)、唐仁杰(玻璃工)、史青(化學教師)等。無正規(guī)的實驗室，我們在實驗樓廁所邊的清洗室內(nèi)做化學試驗。

　　SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(SiO2 即石英)(1)

　　某天，我把SiCl4 倒到另一瓶中，由于同事配合不好，而SiCl4 在室溫下會沸騰，SiCl4噴入我的右眼，我劇痛。產(chǎn)生的氯氣使我暈倒在地。同事用車送醫(yī)院搶救，但醫(yī)生也不知道如何救，此時我已經(jīng)蘇醒，我說：“用蒸餾水沖眼睛，打吊針。”2小時后，身體恢復正常，我立即回武漢院實驗室繼續(xù)工作。

　　2 科研工作也要有獻身精神

　　當初，我們的化學水平不高，采用酒精燈加溫，因溫度不夠，無反應。于是改用石墨爐，可得到1 200℃。原料是氣體，經(jīng)過1只石墨爐，原料氣體尚未反應就出來了，什么都未得到。于是增加石墨爐的個數(shù)，以保證有足夠的反應時間，直至再增加12個石墨爐，我們得到了一些白色粉末，大家很高興，以為是石英。經(jīng)過化學分析，原來是含水份的硅膠，不是石英。這樣的失敗有幾十次。

　　光纖導光原理如圖1所示。光纖是由二層不同折射率的石英玻璃構(gòu)成的，芯的折射率大于包層的折射率，構(gòu)成全反射，使光信號可彎曲傳輸。光纖芯必須是“9個9”、即0.999 999 999的超純石英，以保證光纖的傳輸損失極小。　　

　　我們對制造光纖的石英的知識理解得太膚淺，于是，我讓黃定國到上海、沙市石英廠訪問，才知道熔煉石英需要1 400℃~2 000℃高溫，要用氫氧焰。我們采用所謂的MCVD法，即改良管內(nèi)化學沉積法，制造超純石英。MCVD法的概念如圖2所示?！　?/p>

 

　　MCVD法即先將購買來的普通石英管，通入氣體原料，在管外用氫氧焰加溫至1 400℃,使之產(chǎn)生化學反應，產(chǎn)生石英粉末，附在石英管壁上。來回移動氫氧焰，附在石英管壁上的石英粉末加厚，直至達到需要的厚度。最后，氫氧焰加溫至2 000℃，使管內(nèi)的石英粉熔成透明的石英，同時，包層石英管也因變軟而收縮，自動填滿中心孔而形成光纖“預制棒”。

　　然后用拉絲機拉絲，內(nèi)有石墨爐，可產(chǎn)生1 400℃高溫，使石英棒變軟，用電動機旋轉(zhuǎn)滾筒，把光纖“預制棒”拉成直徑為125 μm的光纖。

　　1973年，武漢院光纖通信正式立項，申報國家科研項目。原來中國最早研發(fā)光纖通信的是中國科學院福州物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所(以下簡稱物構(gòu)所)。1972年，物構(gòu)所的科研項目“732機”內(nèi)包含“光纖通信”的研究。合作單位有清華大學(負責研制通信系統(tǒng))、成都電信工程學院(負責研制光源)、物構(gòu)所(負責研制光纖，是項目負責和總體設(shè)計)。

　　于是，原國務(wù)院科技辦(即現(xiàn)在的國家科學技術(shù)委員會，以下簡稱國家科委)下有2個單位申報“光纖通信”科研項目，即物構(gòu)所合作團體和武漢院。原國務(wù)院科技辦不容許重復，只容許設(shè)一個“光纖通信”科研項目。于是組織了一次“背靠背”辯論，即由原國務(wù)院科技辦主持，武漢院和物構(gòu)所分別發(fā)言，不當面辯論，最后由原國務(wù)院科技辦確定“光纖通信”科技項目的歸口。

　　3 “背靠背”技術(shù)路線辯論情況

　　物構(gòu)所合作團體和武漢院的技術(shù)路線見表1。　　

　　我當時向國務(wù)院科技辦領(lǐng)導分析解釋：光纖用玻璃材料的特點是“物理容易化學難”，即煉玻璃需要溫度，400℃容易;但化學原料的提純由于成份復雜，比較難。

　　光纖用石英材料的特點是“化學容易物理難”，即煉石英需要溫度：1 400℃比較難;化學原料的提純：只有SiCl4一種，比較容易，而且SiCl4是制作晶體管的原料，本身已經(jīng)很純。

　　我又說：長距離通信要求光纖的損失小，原料要求純。所以化學是主要矛盾，物理工藝是次要。

　　光源：YAG 激光器的特點是“當時的壽命達2 000 h”，而半導體激光器在世界范圍內(nèi)都沒有研制出來。但YAG激光器需要用水冷卻，在長途通信線路中繼站人孔內(nèi)無水，所以不能用。目前無激光器，可暫用LED，將來一定會有半導體激光器。

　　通信系統(tǒng)：采用增量調(diào)制方式，優(yōu)點是簡單，但傳輸無增量的直流，效果差，特別是傳輸電視信號比較困難，電視信號的直流分量比較多。采用我建議的PCM(脈沖編碼調(diào)制)方式，雖然現(xiàn)在無集成塊不能制作，暫時用如PSM (脈沖相移調(diào)制)代替，可傳輸電視信號。將來會有集成塊，PCM最好。

　　我的光纖通信技術(shù)路線，至今仍是對的。

　　國務(wù)院科技辦相信我的技術(shù)路線，把“光纖通信”項目交給武漢院，而沒有給中國一流、二流的中國科學院、清華大學和電子科技大學。當時武漢院是一個約2 000人的小單位。

　　4 技術(shù)路線是科學研究成敗的關(guān)鍵

　　1976年，中國的通信光纖首次在武漢院研制成功。當時處于“文化大革命”時期，與世隔絕，雖然我們不是世界首先，但沒有依靠外國任何技術(shù)，研制出通信光纖。例如：光纖需要的超材料，需要自己制造，我們把買來的純度為“7個9”的SiCl4，提純到“9個9”，中國的化學專業(yè)部門都認為難做。我們學習后知道，先用精餾塔去除金屬雜質(zhì)，再用吸附塔去除具有揮發(fā)性的有機物，使材料純度達到“9個9”。光纖研制出后，光纖有7項指標需要測量，中國無這種儀表，我們成立了儀表組，制作了7種儀表。

　　光纖通信需要光源——激光器。我們先采用北京大學和中國科學院上海光機所提供的尚未成熟的激光器(壽命幾小時)，后來用LED做實驗。

　　1976年，國家提出“農(nóng)業(yè)學大寨，工業(yè)學大慶”口號。原郵電部組織“郵電工業(yè)學大慶”展覽會，要下屬部門提供新技術(shù)展品。武漢院的展品有我們的光纖通信演示。我用我們研制的16 m光纖，用上海光機所提供的激光器做光源，通信系統(tǒng)是我設(shè)計的脈沖調(diào)相系統(tǒng)，傳輸了一路黑白電視(當時中國只有黑白電視)。展覽是在北京“中蘇友好宮”內(nèi)。

　　預展的那天，時任郵電部部長鐘夫翔和時任副總理谷牧來參觀檢查，看到我們的光纖通信演示，鐘部長很驚奇，他要我站開，他要親自把光纖拿掉，看是否不通，又親自把光纖放回，看是否又通，顯然是不相信!我告訴他“拿掉一定不通，但放不回去。因為我們沒有精密的微調(diào)機構(gòu)，只是用螺絲釘加橡皮泥代替。我花半小時才對上”。但部長一定要，我告訴他“能否下星期來”。我回去后，采用了大面積的光檢測器，很容易對上。果然，鐘部長來了，他依然要我站開，他親自把光纖拿掉，結(jié)果黑白電視不通，他又要親自把光纖對上，電視恢復。鐘部長笑笑，走了。約兩星期后，武漢院收到郵電部來文———“光纖通信是郵電部重點項目”!原來光纖通信還不是院重點項目，現(xiàn)在成了國家重點項目。

　　5 條件差，不要緊，努力工作，做出成績，使領(lǐng)導相信，是會成功的!

　　武漢院院長問我：“趙梓森，您要多少人?要多少錢?”我告訴院長：“全院的人也不夠”。“為什么?”，“因為要建立光纖生產(chǎn)車間工廠;要建立光器件研究所，研制生產(chǎn)激光器;要擴大原有的通信機研究和生產(chǎn)的規(guī)模;要發(fā)展數(shù)字通信，研制PCM脈沖編碼通信機”。院領(lǐng)導聽信我的建議，把所有項目都下馬，包括毫米波通信、傳真電報等。武漢院擴大了通信設(shè)備的科研和生產(chǎn)規(guī)模，建立了光纖光纜生產(chǎn)車間工廠，建立了光器件研究所等，為光纖通信實用化打下基礎(chǔ)。

　　1976年，美國在華盛頓到亞特蘭大間開通了世界第一條實用的光纖通信線路，速率為45 Mbit/s。

　　1976年，武漢院開通了光纖通信實驗線路——環(huán)武漢院，進行了通話實驗。

　　1978年，中國進入“改革開放”時期，中國和外國可來往交流。我隨中國郵電代表團到意大利都林參加國際光通信會議。參觀意大利國家光通信中心實驗室，意大利專家提出：“中國可派人到意大利學習光纖通信，每學員付20萬美元學費”。后來，意大利專家回訪中國，到武漢院參觀光纖通信，發(fā)現(xiàn)中國的光纖通信技術(shù)超過意大利。意大利專家代表馬沙利立刻發(fā)回電說“中國的光纖通信很好，我們的培訓方案是錯誤的，趕快收回”。

　　1980年，光纖通信發(fā)明人——英籍華人高錕訪問武漢院?？吹轿錆h院的光纖通信技術(shù)，高錕說：“surprise”(表示“驚訝”)。

　　中國進入“改革開放”時期后，光纖通信的研發(fā)速度大大加快。

　　為了建設(shè)工程和產(chǎn)業(yè)化，武漢院建立光纖生產(chǎn)車間。和美國林肯實驗室的激光器專家謝肇金合作，成立WTD武漢通信器件公司，可生產(chǎn)通信激光器，生產(chǎn)激光器是國內(nèi)首先。后來謝肇金把股份賣掉，現(xiàn)在WTD股份全屬于武漢院?，F(xiàn)在WTD在世界同行業(yè)排名第5。

　　國家科技領(lǐng)導已經(jīng)認識到“光纖通信”是通向“信息時代”的橋梁，立項“八二工程”，即要在武漢建設(shè)中國第一條實用化的光纖通信線路。用光纖連通武漢3鎮(zhèn)，如圖3所示?！　?/p>

　　所謂“實用化”是：由原郵電部鄭州設(shè)計院設(shè)計(不是武漢院);由武漢郵電工程三公司的工人施工。開通由武漢電信的技術(shù)人員負責。我是“八二工程”項目負責人和總體設(shè)計人，指導大家實現(xiàn)中國從來沒有做過的“光纖通信”。

　　“八二工程”光纖通信：線路長13.3 km，傳輸信息速率為8.448 Mbit/s，采用多模光纖(多模光纖的芯徑比較粗，容易生產(chǎn)，但傳輸容量小。當時中國尚不能生產(chǎn)單模光纖)。光源是LED。通信設(shè)備是由武漢院生產(chǎn)的PCM光通信機。

　　1981年12月28日，中國第一條實用化的光纖通信線路在武漢開通。通信效果良好!

　　1981年12月29日，時任郵電部副部長侯德源十分重視，從北京來檢查“八二工程”。上午從北京來到武漢，下午來檢查。我們在做準備。負責機架電源的XXX為了改進電源端子板，用鋼皮尺去量電源端子板的尺寸。“砰”的一響，機器燒了!大家嚇得目瞪口呆!我緊急搶修，調(diào)動試驗機盤，拼揍了一個系統(tǒng)，可通話。下午侯副部長的檢查過了關(guān)。事后院長要處分XXX，我請求得免。

　　6 工作一定要細心，粗枝大葉不行

　　“八二工程”建成后，時任郵電部領(lǐng)導和專家都認識到光纖通信的優(yōu)越性。光纖通信在全國推廣使用，如建設(shè)“八縱八橫”的國家光纖通信線路。后來，提出“光進銅退”，意思是長距離通信必須用光纖，因光纖的價格比拆下的纜的廢銅還便宜。1988年，中國規(guī)定長途通信線路不再使用電纜。

　　“八二工程”采用的“多模光纖”，缺點是傳輸速率低，最多只有1 Gbit/s。我提出要發(fā)展“單模光纖”，該光纖的傳輸速率可達數(shù)百Gbit/s以上，單模光纖結(jié)構(gòu)中的芯直徑約為8 μm，很細(多模光纖芯直徑50 μm)，當然，比較難生產(chǎn)。在國家科委主持的討論會上，遭到絕大多數(shù)的專家反對，包括院士(當時我還不是院士)，認為單模光纖是做不出來的!只有中國科學院半導體所的專家王啟明贊成，結(jié)果未通過。經(jīng)過1年，武漢院做成“單模光纖”。我打報告告訴國家科委，國家科委同意立項發(fā)展“單模光纖”。

　　在中國改革開放的時期，郵電部提出要向國外引進“光纖生產(chǎn)技術(shù)”，我贊成。有人問我：“趙梓森，你在文化大革命時期，無外國技術(shù)，全部自己解決，也把光纖生產(chǎn)出來了，為什么現(xiàn)在還要同意引進外國的光纖生產(chǎn)?”我回答：“不錯，我們不靠外國也能制造生產(chǎn)光纖。但我們的光纖制造設(shè)備，例如熔煉車床等，2年后因生銹腐蝕，不能保證精度，必須更換。而外國的機床是不銹鋼。中國沒有不銹鋼(當時)，我趙梓森總不能去煉鋼，這是中國工業(yè)基礎(chǔ)的問題。”

　　郵電部安排我擔任光纖引進小組技術(shù)負責人。我首選與美國康寧公司合作，但康寧公司生產(chǎn)光纖需要用He(氦)氣，中國很少有氦氣，而且很貴，合作不成功。與日本住友公司交談，要住友在合同中寫明保證光纖應達到的指標，住友公司不愿意，合作不成。與荷蘭Philips(飛利浦)公司談，Philips公司同意在合同中寫上光纖產(chǎn)品應達到的指標，合作成功。在武漢成立了“長飛光纖光纜公司”。荷蘭Philips公司要武漢院派人到荷蘭Philips公司培訓。武漢院光纖技術(shù)人員在荷蘭學習時，提出一些問題，Philips公司專家?guī)缀醵蓟卮鸩涣?，荷蘭專家說：“從來沒有遇到技術(shù)這樣精通的學員”。后來，長飛光纖光纜公司的生產(chǎn)設(shè)備是不銹鋼的，很耐用。長飛光纖光纜公司生產(chǎn)的光纖質(zhì)量，超過荷蘭Philips公司。荷蘭Philips公司因此不再生產(chǎn)光纖，因為荷蘭Philips公司有長飛公司的股份，同樣可獲利。Philips公司把其股份賣給荷蘭Draka;后來，郵電部把武漢院的長飛公司的股份轉(zhuǎn)給中國電信?，F(xiàn)在長飛光纖光纜公司是世界最大的光纖公司。武漢院失去了長飛公司，成立了自己生產(chǎn)光纖光纜的工廠，隸屬“烽火通信”公司管理。

　　武漢院曾經(jīng)把光纖制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓給江蘇的亨通線纜廠和其他廠商，帶動了中國的光纖光纜產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在，中國的光纖通信產(chǎn)量和市場占有率是世界第一，如圖4所示?！　?/p>

　　中國光纖通信技術(shù)是世界最先進的國家——目前能演示傳輸100 Tbit/s光纖通信的國家有日本、美國和中國(1 Tbit/s=1 000 Gbit/s)。中國100 Tbit/s實驗是武漢院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室演示的。

　　武漢是中國光纖通信的發(fā)源地，有被稱為“光谷”的地區(qū)。武漢院在中國首創(chuàng)的試驗工程見表2。