2009年诺贝尔物理学奖——漫谈.PDFVIP

2009年诺贝尔物理学奖 —— 漫谈 物理学基础研究演变为现代信息产业 宋菲君 中科院研究员、博导 中国物理学会理事 美国国际光学工程学会资深会员 (Fellow SPIE) 大恒新纪元科技股份有限公司 副总裁兼总工程师 2009. 12. 北京物理学会 内容 1.诺贝尔物理学奖和产业 2.信息产业的提速和通信电缆的瓶颈，早期光通信的尝试 3.高锟对于光纤通信的开创性研究 4.对于光纤中光损耗的进一步研究，三个光学窗口 5.光通信发展的五个阶段 6.光第一次“跑赢”了电，Electronics在做什么？ 7.博伊尔、史密斯发明CCD 8.LAMOST——光纤和制冷CCD的联合应用 9.物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的 主要驱动力 1.诺贝尔物理学奖和产业 2009年10月6日，瑞典皇家科 学院在斯德哥尔摩宣布，将2009 年诺贝尔物理学奖授予英国华裔 科学家高锟以及美国科学家博 伊尔（W.S. Boyle）和史密斯 （G.E. Smith）。 瑞典皇瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤 维中的传输应用于光学通信方面，取得了突破性 成就”，他将获得今年物理学奖一半的奖金；博 伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦 合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖 另一半奖金。 CCTV新闻频道在当天对我进行电话采访，对 2009物理学奖进行评论，这也是中央台第一次请 产业界人士评论物理学诺贝尔奖。 诺贝尔物理奖奖励有巨大影响的原创性物理学研 究，但这些物理学研究成果只有少数几项最终演变 成为产业。如下表所示： 年份 获奖人 诺贝尔物理奖 相关产业和应用 1 1901 伦琴 发现X 射线 X光医疗仪器、探测仪器 2 1909 马可尼， 布劳恩 发展无线电技术 无线电仪器、通信、测量、射电天文 学仪器 3 1956 肖克莱，巴丁，布拉坦 发明晶体管 无线电产业、收音机和音像设备、电 子检测仪器 4 1964 汤斯，巴索夫，普罗霍罗夫 研究量子电子学 “梅塞”和激光产业 5 1971 伽伯 发明全息术 全息艺术、全息防伪、信用卡、护照、 全息显示和全息印刷产业 6 1987 贝德诺茨，穆勒 发现高温超导 阿尔费罗夫 发现可用于高速电路的半导体异质 结构 半导体激光器和半导体集成电路产业7 2000 基尔比 发明集成电路 半导体集成电路产业 8 2007 费尔，格林伯格 发现巨磁阻效应 磁存储产业 高锟 研究光纤和光纤通信 光通信产业9 2009 博伊尔、史密斯 发明了半导体成像器件——电荷耦 合器件（CCD）图像传感器 CCD监视器、数码相机、手机、科 学和精密测量CCD图像传感器 演变为产业的诺贝尔物理学奖 2.信息产业的提速和通信电缆的瓶颈， 早期光通信的尝试 信息生成、调制、传输、接收的过程： 生成 采集 处理 传输 接收 处理 终端 载波 调制波 信号 在频域中，载波本来是单一频率，调制过程使频带 加宽。例如一路标准的电话的频带宽度为4kHz，一路 电视的带宽为6MHz。 空域 频域 通信系统的信息容量，显然和载波本身的频率 有关。 由于通信电缆的电信号载波频率较低，带宽有 限，金属电缆容易腐蚀，敷设的费用高。成为限 制信息产业进一步发展的瓶颈。 光通信：光波也是电磁波，其频率远高于电通 信的载波，科学家早就想到利用光波传输信息， 并预言光通信的容量将远高于常规电缆通信。 143 10ν = × 同轴电缆（三次群） 光波（波长1.0μm）. 734M 3.4 10ν = × 由于地球表面为球形，光线的直线传播距离不过 数公里，加上障碍物、天气的影响，大气光通信 没有前途。 光能、光信息的长途输送是一个长期困扰科学 家和工程师的难题。 早在1870年，物理学家J. 丁铎尔就做过光线在 一个抛物线状的水流中传播的实验。 早期光纤 由于水的折射率高于空 气，根据光学中的“全反 射”效应，光波在水流中 多次反射，并随着水流传 播。丁铎尔的水流就是最 原始的光波导。 其后，模拟电磁波 导，物理学家开始研究 光波在“光波导”中的 传播。 由于介质界面的约束, 在光纤中只能传播分立 的本征态，称为模”。 当时的光波导、光纤 用硅玻璃或高分子有机 材料制造，光波在光纤 中的衰减很大，传输距 离有限。 01LP LP01 (HE11)01 11 LP1111 LP2121 LP0202 本征模 高锟(Charles K. Kao)是拥有英国和美国双重国籍 的物理学家。 3. 高锟对于光纤通信的开创性研究 1933年11月4日年出生在上海的一个书香门第，父亲 是国际法庭的律师，祖父是晚清著名诗人，革命家， “南社”的重要成员。 1948年全家移居台湾。 1949年移民香港，他先考入香港大学，后来又远赴 英国东伦敦伍尔维奇理工