2009 年诺贝尔物理学奖——光纤与图像传感器的发明
2009 年诺贝尔物理学奖授予对现代通信技术的发展有过重要贡献的三位科学家。一位是英国、美国双重国籍的华裔科学家高锟（Charles K.Kao，1933— ），奖励他“对光在光纤中传输方面所取得的开创性成就”。另两位是美国、加拿大双重国籍的科学家威拉德·博伊尔（Willard S.Boyle，1924—2011）和美国科学家乔治·史密斯（George E.Smith，1930— ），奖励他们“发明了一种成像半导体电路，即 CCD（电荷耦合器件）传感器”。
光纤通信诞生前的早期工作
1960年，高锟加入附属于 ITT 公司的标准电信实验室（STL），主要从事微米波传输系统的研究，目的是要改良当时通信基础设施的传输容量。35 ~ 70 GHz 的微米波可能有更高的传输容量，但是情况不明，困难巨大，因为这一频率范围的无线电波，由于波束的发散性和大气吸收，无法进行长距离传输，需要靠波导引导。20 世纪 50 年代，低损耗环形波导（HE 11模）的研究工作刚刚起步，60 年代开发了一个试验系统，投入巨额资金，积极计划把这个系统推至预研阶段，期望能应用于诸如视频电话等新电信服务。
高锟在标准电信实验室加入了由卡博维克博士（Dr. Karbowiak）领导的长距离波导研究组。他看到真实的环形波导，兴奋无比。他的任务是寻找微波和光信号传输的新方法。他运用几何光学和波动理论，以求更深入理解波导问题，这在当时是一个全新的想法。就是在卡博维克博士的建议下，他一面在标准电信实验室工作，一面攻读博士学位，并在两年内完成了他的论文《准光学波导》。
20 世纪 60 年代激光的发明给了电信业极大鼓舞。人们普遍认为，光通信很快就能实现；相干光可以成为新的信息载体，相比于点对点的微波系统，它可以提供 105 倍的信息容量。这个结论是由简单比较它们的频率得来的：光的频率是 3×104 Hz（3 000 THz），微波的频率只有 3×109 Hz（3 GHz）。
环形微波波导与光通信之间展开了竞争，而环形微波波导占有优势。1960 年，激光技术才刚起步，全球只有几个研究所进行过一些实验，尚未有足够数据证实光通信的可行性。但高锟仍然认为激光具有巨大潜力。他对自己说：“我们怎么可以这么轻易就断定激光没有作为？如果光通信仅仅停留在理论阶段，那实在是太可惜了。”他提出两个问题：
（1）红宝石激光是不是光通信的合适光源？
（2）在这样的波长范围内，什么材料具有足够高的透明度？
那个时候，只有两个研究组开始进行光通信传输方面的研究，其他的研究组则从事固体和半导体激光器的研究。激光器在光频范围会发出相干辐射，但要利用这样的光作为信息的载体，即使不是没有可能，也十分困难。要真正实现光通信，还有很多难题需要解决。
关键的发现
1963 年，高锟已在进行空间传播实验。半导体和激光技术的快速发展，令有关光通信的研究得以广泛开展。标准电信实验室的研究组成员让氮氖激光器发出的光束射向远方，发现光点不停闪动。由于大气的波动，光点在几个光束直径的范围内跳动。他们还重复了世界各地研究所的结果。例如，他们进行了和贝尔实验室类似的共焦镜实验：将一系列凸透视镜以焦距相隔，排列成行。即使在夜深人静、空气死寂的时刻，每隔 100 m 重新聚焦，光束仍不能固定在透镜的孔径内。
贝尔实验室的实验是用气体作透镜，但因无法保证绝对隔热，难于稳定气体透镜的外形，只好放弃。
在标准电信实验室，思想逐渐转向介电质波导。用不导电的介电质圆柱体，被空气包围，就组成了波导。卡博维克博士建议高锟和其他三名研究人员就他提出的薄膜波导的想法进行研究。但薄膜波导的研究失败了：它对光的约束作用不足，光线在拐弯时会泄漏出来。
当卡博维克博士移民澳洲时，高锟出任研究组领导。他建议针对光学纤维研究介电材料的衰减机制。有一个小组专门研究如何量度低衰减透明物质的衰减程度。霍克汉（George Hockham）跟他一起研究介电质波导的特性。由于霍克汉对波导理论感兴趣，所以集中研究光纤波导的容限条件，尤其是光纤电缆的体积容限和接合点光功率衰减。他们按部就班，研究玻璃纤维作为波导材料的物理和波导条件。
此外，高锟还推动他的激光研究小组同事，进行有关近红外半导体激光器的研究，看看这种激光器的发光特性能不能匹配单模光纤的直径。所谓单模光纤，是只容许单一光线或光模传递的光纤。激光器必须耐用，并且可以在室温操作而无需液氮冷却。所以存在许多挑战。但在 20 世纪 60 年代初期，看似渺茫的研究还是可以得到宽容的，只要耗资不是太巨大。
此后两年间，高锟研究组努力向目标奋进。他们在材料的物理和化学以及新型电磁波问题方面都是生手，但仍取得非常扎实的进展。他们查阅文献、访问专家、向多家玻璃和聚合体材料公司搜查样本。他们也研究各种理论，并为进行一系列实验研制了测量技术。他们设计开发的仪器，有一种是用来测量在衰减极低的材料中的光谱衰减，另一种则用于分阶模拟实验，以测量因机械缺陷导致的光纤衰减。
高锟认定玻璃是可能的透明材料。玻璃是由既廉价又用之不竭的沙粒制成的。透明材料的光学损耗原因有三：①固有吸收；②外因吸收；③瑞利散射。材料结构本身吸收红外线，造成固有损耗，因而决定了透明区域的波长；外因损耗是由于材料中残留的杂质离子；而瑞利散射则是材料结构不均匀，导致光子散射的结果。对于大多数玻璃制品，例如玻璃窗，因为透明度已经足够，所以没有人会对吸收问题进行如此深入的研究。在与许多人讨论之后，高锟最终得出以下结论：
（1）必须将杂质，特别是铁、铜、锰等过渡元素，降低至百万分之一以至十亿分之一的水平。但是杂质浓度是否能降低到这样低的水平呢？
（2）高温玻璃相对于聚合体之类的低温玻璃冻结较快，应该有更小的微观结构，非均匀性的分布应该会更平坦，因此会有较低的散射损耗。
这时微波的模拟实验也已完成。根据其波模、端对端尺寸公差以及直径尺寸公差，介电波导的特征得以完全确定。理论和模拟实验都证实他们的方案是可行的。
高锟和霍克汉就此写了一篇题为《用于光频的介电纤维表面波导》的论文，投到《英国电子工程师学会学报》。经过寻常的评审和修改后，论文于 1966 年 7 月刊出——现在都把这一时刻看成是光纤通信诞生的时刻。
说服世界
高锟于 1966 年 1 月 27 日的 IEE 会议上阐述了这篇论文的主旨，但世界上很少人注意到，只有英国邮政局（BPO）和英国国防部例外，这两家立即启动了重点研究项目。到了 1966 年年底，英国有三个研究组开展了与之有关的不同主题的研究，这三个研究组分别是标准电信实验室的高锟、英国邮政局的罗伯兹（Roberts）及甘布林（W. A. Gambling）与国防部实验室威廉斯（D. Williams）的合作队伍。
在接下来的几年间，高锟到世界各地推广他的构想，到过日本、德国和荷兰等地。他认为如果没有更多人加入这个事业，玻璃光纤的应用将难以取得成功。面对多方的质疑和批评，他持有坚定的信念。全球的电信业非常庞大，靠个人或一个国家难以改变，但是，他乐观坚定地走下去，渐渐地改变了其他人，使他们转变看法。
起初，专家们声称，在这些根本无法逾越的问题中，材料是最严重的一个。甘布林写到：英国电信公司早先对这个提议的态度是“颇有微词”的。而本可引领这一领域的贝尔实验室，也只是很晚才注意到这项提议。高锟寻访了多家玻璃制造商，游说他们制造所需的纯净玻璃，最终从康宁公司得到了响应。由茅勒（Robert Maurer）带领的小组，第一次生产出玻璃棒，并研发了使玻璃光纤合乎要求规格的技术。
与此同时，高锟继续致力于证明玻璃光纤在长距离光学传输系统中作为媒体的可行性。他们面对一系列难以克服的挑战，首先是对低损耗样品的测量技术，而能够获得的样品长度只有 20 cm 左右。确保样品表面完美无缺也是难以解决的问题。还有一个问题是打磨过程中引起的端面反射损耗。在测量过程中他们面临的困境是要求检测两个样品的损耗时，相互间差别少于 0.1 %，而整段 20 cm 长的样品总衰减也只有 0.1 %，不精确的测量是毫无意义的。
1968—1969 年，高锟和他在标准电信公司的同事针对上述在玻璃样品内的衰减计量问题发表了一系列论文。在当时，一种名为分光光度计的测量仪器灵敏度只有 43 dB/km。测量工作非常困难：即使污染极微，也会造成与衰减相当的损耗，而表面效应很容易就比它还要大 10 倍。于是，高锟等人自制了一台单光束分光光度计，灵敏度达 21.7 dB/km。后来改进成双光束分光光度计，灵敏度提高到了 4.3 dB/km。
反射效应是用自制的椭率计测量的。他们使用等离子沉积法制造石英样品，在这一过程中，高温蒸发出石英中的杂质离子。利用灵敏的仪器，他们测量了一些玻璃样品的衰减，终于找到了 Schott Glass 公司生产的一种红外硅样品，在 850 nm 附近的窗口中衰减只有 5 dB/km，最终证明了去除杂质可以将吸收损耗降低到可用的水平。
这一结果真是令人振奋，因为低损耗区域正好落在 GaAs 激光器发射带。测量明确指出了通向光纤通信的道路——小体积的 GaAs 半导体激光器作为光源，低成本的包有保护层的玻璃光纤作为传输媒介，Si 或 Ge 半导体作为检测器。梦想不再遥远，这些测量结果显然转变了学界的意向，引发了研制第一根低损耗玻璃光纤波导的竞赛。1967 年，康宁公司净化了玻璃，次年拉出了光纤，1970 年，运用外部气相沉积法（OVD），掺钛纤芯和硅包层，制造出在 0.633 μm 处损耗为 17 dB/km 的光纤波导。两年之后，他们以掺锗纤芯代替掺钛纤芯，制造出一条损耗低至 4 dB/km 的多模光纤。
贝尔实验室最终于 1969 年开始创设光纤研究项目，1976 年建成第一代 45 Mb/s 光纤通信系统。一场对世界产生巨大影响的伟大变革开始了。
对世界的影响
自 1976 年第一代 45 Mb/s 光纤通信系统建成以来，单根光纤的传输容量已经急速增长，现在人们谈论的是每秒多少 Tb（太比特，或 1012 b）。为了认识光纤通信的基本限制。在 1982—1985 年间启动了每秒 Tb 光电计划，参加者包括 10 个研究单位。设定的目标比当时的技术高了三个量级，这在当时被认为是不可能的。
但是光纤的传输容量从早期的几十 Mb/s 逐渐增加到后来的几十 Tb/s，增长了上百万倍。由于光纤放大器和波分复用技术的发明，数据在百万千米的光纤中传输，不需要中继器。这就是光纤通信产业不断发展走过的道路。
由于有了光纤通信，世界已经完全改变了。电信系统发生了翻天覆地的变化，国际长途电话变得非常容易进行。创造了崭新的大型纤维光学产业，包括光缆制造和设备、光器件、网络系统和设备。亿万千米长的玻璃光纤光缆铺设在地下和海底，构建了错综复杂的连接网络，而这正是互联网的基础。
现在的互联网比以前的电话更加普及。我们可以在网上浏览和检索、召开网络会议、写博客、观看视频、购物、交友等。如果没有光纤，20 世纪 90 年代开始的信息革命就不可能发生。从过去的几年开始，光纤逐渐以各种方式进入家庭。可以预期，更加环保的全光网络即将实现，光纤通信的革命远未结束，也许还只是刚刚开始。光纤通信不仅仅是科技上的进步，还为社会生活、文化教育、思想沟通带来了显著变革。而这一切都与高锟博士高瞻远瞩的创见、热诚忘我的追求和长期艰苦的探索分不开。
CCD 的发明
2009 年诺贝尔物理学奖的另一半由博伊尔和史密斯分享。他们发明的一种数字图像传感器电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD），根本改变了摄影领域的传统，使照相机不再需要胶卷，经图像传感器通过电子数码捕获图像。
有些时候发明似乎完全出于意外。图像传感器，或者电荷耦合器件 CCD 就是这样发明的。如果没有 CCD，数字照相机的发展也许会慢得多。如果没有 CCD，我们也许难得看到哈勃空间望远镜拍摄的那些令人惊奇的天空图像，或者火星上壮观的红色沙漠。
CCD 并不是博伊尔和史密斯在工作之初所设想的那种发明。1969 年 9 月的一天，在博伊尔办公室的黑板上，他们勾画了一个关于电荷耦合器的原理性草图。当时他们提出 CCD 的目的是设计一个更好的电子存储器，并没有将 CCD 用于摄影的意图。如今 CCD 不再用作存储器，然而它们却成了现代影像技术不可缺少的关键部件。CCD 是电子时代的又一个成功事例。
神奇的电子眼——成像数字化
跟电子工业其他许多器件一样，数字影像传感器 CCD 也是出自硅材料。在一个邮票大小的 CCD 列阵芯片上通常有数百万个微小的光电池。这些光电池利用的是光电效应，光电效应是由爱因斯坦首先在理论上提出的。他因此获得了 1921 年诺贝尔物理学奖。当光线照射到硅片时，电子会被撞击出来，释放的电子收集在光电池中，光电池成了限制这些电子的壁垒。光量越大，收集的电子数也越多。当电压加到 CCD 阵列时，壁垒中的电子信息可以一排排按顺序读出。从阵列传出的电子就像被装载在一条传送带上，如图 2009 – 3 所示。例如一个 10×10 像素的列阵将转化为 100 点长链的电子流。就这样 CCD 把光学图像转变成电子信号，随后编译为数字 0 和 1。于是每个光电池就重新形成为一个像点（像素）。CCD 的宽度以像素为单位，与它以行为单位的高度相乘，就可以得到传感器的图像容量。一个规格为 1280×1024 的 CCD 具有 1.30 MP（兆像素）的图像容量。CCD 提供的图像只分黑和白，必须使用各种滤波器，以反映不同颜色的光。每个滤波器包含一种基本色，红色、绿色或蓝色。图像传感器中的每个光电池都有一种滤波器。由于人眼对各颜色的敏感度不一样，绿色像素数目需要比蓝色或红色的像素多一倍。高级成像则要用一系列滤光器。
发明 CCD 的想法是在 1969 年 9 月 8 日一次很短的碰头会上产生的。这个事情的发生可以归功于公司的内部政策。当时处于纽约郊外的贝尔实验室，他们的老板鼓励他们接受挑战，参与开发磁泡存储器件（贝尔实验室的另一项发明）的竞争。于是他们开动脑筋，想出了利用光电效应把影像转换成电子数码的方案，图 2009 – 4 是他们在工作日志上留下的一页原始设计图和基本思路，这就是最早的图像传感器 CCD 的原理图。在他们完成了 CCD 的基本设计后，只过了一个星期技师们就装配出了第一台样机。40 年过去了，CCD 已经成了许多数字图像技术的核心，而它曾经是一种存储器件的事情，却早已被人们遗忘。
数码照相机普及到每个人
电子图像传感器的优越性很快得到公认。就在它发明后的第一年，1970 年，史密斯和博伊尔第一次展示了采用 CCD 的摄像机。1972 年，美国仙童公司制造了第一个 100×100 像素的图像传感器，几年后投入生产。1975 年，博伊尔和史密斯自己制造了一个分辨率足够高的数码摄像机用于电视广播。直到 1981 年，内置 CCD 的照相机才第一次在市场上出现。尽管这种照相机比起当代照相机来说，还是显得块头很大，而且很原始，但它还是引领了摄影商业领域走向数字化。1986 年，第一个 1.4 MP 的图像传感器问世。1995 年，世界上第一个完全数字化的照相机出现。世界各国相机制造商蜂拥而上，不久更小巧、更便宜的相机产品迅速充斥市场。
照相机配用图像传感器替代胶卷，摄影史上的一个时代终结了。这个时代开始于 1839 年，这一年达盖尔（L. Daguerre）将他发明的照相胶片呈现给法国科学院。数码相机一旦用于日常摄影，马上取得了商业上的巨大成功。后来 CCD 又受到另一项技术的挑战，这就是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。这项技术大概与 CCD 同时发明，两者都是利用光电效应，不同的是 CCD 图像传感器中收集到的电子要输出并排列成行，以便读出，而 CMOS 图像传感器的每一个光电池的电子就在其所在位置上读出。CMOS 技术的优势是器件消耗的电能较少，可以延长电池使用寿命，因此很长一个时期它更为便宜。然而，人们还必须考虑它的高噪声会使图像质量受到损失，因此 CMOS 对于许多高精应用，灵敏度不够。CMOS 图像传感器目前常用于手机摄影和其他的摄影。这两种技术都同时在不断改进，在许多应用上可以互换。几年前，CCD 突破了 100 MP 的极限，尽管图像质量不仅决定于像素数目，但是超越这一极限还是显示出了未来会给数字摄影带来进一步发展。有人预言，未来属于 CMOS，而不是 CCD。也有人坚持说，这两种技术将在很长一段时间里继续相互补充。
光敏像素
起先，没有人预言 CCD 会成为天文学领域中不可缺少的元件。然而，由于数字技术，哈勃空间望远镜的广角照相机才有可能将其丰富多彩的图像发回地面。它的照相机传感器原先仅仅是 0.64 MP。把四片传感器连在一起时，也不过只有 2.56 MP。这在 20 世纪 80 年代刚刚设计空间望远镜时已经是很了不起了。时至今日，开普勒卫星装配的是金属-氧化物-硅有源集成电路传感器，拥有 95 MP，对它的期望是希望它能发现其他恒星周围的类地行星。很早天文学家就认识到数字图像传感器的好处。它覆盖整个光谱带，从 X 射线到红外线。它比胶片灵敏上千倍。输入的光粒子 100 个中有 90 个会被 CCD 俘获，而胶片或人眼只能俘获一个。来自远方物体的光几秒钟内就可以收集到，这个过程以前却要好几小时。这一效果当然也与光强成正比，光量大则电子数大。
1974 年第一个图像传感器就是用于给月球摄影。这是第一个用数码照相机拍摄的天文学照片。天文学家采用这一新技术是因为它有闪电般的速度。1979 年分辨率为 320×512 像素的数字照相机安装在美国亚利桑那州基特峰的一台望远镜上。时至今日，只要用到了照相、录像或者电视，在使用的过程中，往往都要涉及数字图像传感器。不管是地面还是空间，它都可用于监视目的。CCD 技术还广泛用于医疗，例如，进行人体内部摄影，既可用于诊断，也可用于外科手术。在海底、在太空，数字图像传感器成了广泛应用的科学仪器。它可以显示非常远的天体，也可以显示极其微小的物体的细节。技术突破和科学突破就是这样纠缠在一起的。
获奖者简历
高锟 1933 年 11 月 4 日出生于上海，1944 年入香港圣约瑟书院读中学，1954 年赴英入伦敦大学读电机工程，1957 年大学毕业后，进英国国际电话电报公司（ITT）任工程师，后被聘为研究实验室研究员，同时在英国伦敦大学攻读博士学位，1960 年，加入附属于 ITT 公司的标准电信实验室（STL）工作，1965 年获博士学位，1987—1996 年任香港中文大学校长。
博伊尔 1924 年 8 月 19 日出生于加拿大东部新斯科蒂亚省的边远小镇阿默斯特，三岁时随家人撇迁到魁北克城以北 350 km 的一个小村庄，这里交通不便，出行基本依靠狗拉雪橇，因此上高中前博伊尔都是在母亲的指导下自学。博伊尔高中时代在蒙特利尔的一家私立学校学习，高中毕业后即加入加拿大海军，成为一名航空母舰战斗机飞行员，不久二战结束，博伊尔没有真正参加战争。1947 年、1948 年和 1950 年他在麦吉尔大学先后取得理学学士学位、硕士学位和博士学位。1953 年他加入了美国新泽西州的贝尔实验室，后任通信科学部执行总监。1979 年退休。除了与史密斯合作发明过 CCD 图像传感器，实际上他作出的贡献还有很多，包括 1962 年与他人合作发明第一台红宝石连续激光器，获得了有关半导体注入式激光器设想的第一个专利。博伊尔 2011 年 5 月 7 日逝世于加拿大的特鲁诺。
史密斯 1930 年 5 月 10 日出生于美国纽约，在宾夕法尼亚大学获学士学位，在芝加哥大学获硕士和博士学位，1959 年博士毕业后，史密斯加入了美国贝尔实验室，研究方向是半导体的电学性质和能带结构。1964 年，史密斯成为贝尔实验室超大规模集成电路器件部负责人。除了和博伊尔共同发明了 CCD 图像传感器外，史密斯先后撰写了 40 多篇科学论文，在美国拥有 31 个专利。2002 年，美国电气与电子工程师学会专门设立了一个以他的名字命名的奖项。史密斯 1986 年退休后致力于实现自己终身追求的爱好——航海，迄今已进行过多次环球航行。
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