“中国光纤之父”的追光人生

中国工程院院士赵梓森：一生为通信技术创新不停歇

2016年12月16日,“中国光纤之父”赵梓森院士回忆当年探索光纤通信的历程。新华社记者程敏摄

新华每日电讯记者周甲禄、徐海波

武汉武昌南望山脚下的武汉邮科院家属区,一栋上世纪70年代的两层楼房。推开锈迹斑斑的铁门,小院里种满了丝瓜、辣椒等,几只小花猫生活在树藤下,陪伴着赵梓森享受平静的晚年生活。如果不是家中挂满墙的荣誉证书,很难相信眼前这位普通的老人就是“中国光纤之父”。

《科学美国人》杂志曾评价说:“光纤通信是二战以来最有意义的四大发明之一。如果没有光纤通信,就不会有今天的互联网和通信网络。”但是,对于拉出我国第一根光纤的赵梓森院士及第一根光纤的诞生,人们知之甚少。

在光纤通信上有几个重要的节点事件:1966年,上海出生的英/美籍华人高锟首次提出玻璃丝可用于通信。1970年,美国花费3000万美元制造出了3条30米长的光纤样品,这是世界上第一次制造出对光纤通信有实用价值的光纤。7年后,身居武汉的青年教师赵梓森也拉出了具有中国自主知识产权的第一根实用光纤。

正是赵梓森的这一贡献,使我国在通信技术方面与世界最先进水平齐头并进,在部分领域甚至处于领跑地位。

和蔼之中带点幽默,87岁的赵梓森院士像其他普通老人一样,是一位让人如沐春风的老者。简陋的房屋、简单的生活、简朴的衣着,赵梓森坐在一个竹藤椅上与记者拉起了家常,回顾自己42年的追光之路。

在厕所旁拉出第一根光纤,开启我国通信新时代

1932年,赵梓森出生于上海一个制衣作坊家庭。1937年淞沪会战爆发,幼小的赵梓森目睹了上海被日军占领的过程,他家也受到战争影响,一家人辗转搬到英租界,母亲平时做点缝缝补补的针线活补贴家用。至今与记者谈起这些童年往事,他仍然记得很多生动的细节。

赵梓森小时候特爱捣鼓些小制作,制造过氢气球、矿石收音机和滑翔飞机模型和小提琴等。赵梓森告诉记者,看到别人有玩具飞机,他也“心痒痒”,于是自己使出浑身解数做了一个模型飞机。恰好上海组织学生模型飞机比赛,赵梓森把自己心爱的作品拿去参赛,没想到还得了名次,他更没想到当时的上海市长还亲自给他颁奖。

1954年,赵梓森大学毕业后被分配到武汉邮电学校当老师。这是原邮电工业部下属的一所中专学校,后来升格为武汉邮电科学研究院。赵梓森很清楚新中国刚刚来到,将来一定需要大规模建设,一定需要大量的科学知识。于是,赵梓森一有闲暇时间,就自学研究生课程,恶补日语英语俄语等外语。

即使在“文革”期间,赵梓森仍然坚持白天参加政治学习,晚上在家钻研光纤通信知识,偷偷自制电视机和高端收音机。

1969年,北京邮电科学研究院将国家科研项目“激光大气传输通信”以及项目执行人员转移到武汉邮电科学研究院。到了1971年,院领导认为项目进展太慢,要求“技术好的”赵梓森加入进来,并牵头负责。

赵梓森找科研人员了解得知,进展慢是因为没有仪表设备,“平行光管得一年后才能到货”。赵梓森就想到“土法上马”,将天线搬到屋顶,利用太阳校正了天线,接着把整个激光大气通信设备,搬到当时武汉市最高的建筑——六渡桥的水塔和水运工程学院的某高楼,实现了“大气传输激光通信”,传输有效距离从8米迅速提高到10公里,课题获得了成功。

“同事们都很高兴,但是我却高兴不起来。”赵梓森发现大气传输光通信无法实现全天候通信,碰上雨、雪、雾等天气,装置就失灵了,必须寻求“替代物”。

在听说玻璃丝(光纤)能够通信后,赵梓森急切去湖北省图书馆查找资料,仔细研究,初步认可了光纤通信技术的可行性和巨大潜力。后又通过留学科学家钱伟长等人打听到,美国和英国等发达国家已经在研制光纤通信技术并取得初步成功。赵梓森更加坚信了自己的判断,决定开展光纤通信研究。

1974年8月,在历经长时间深入研究后,赵梓森提出石英光纤通信技术方案。方案遭到许多权威专家的质疑,“小小玻璃丝可以通信?简直是天方夜谭”。质疑声中最主要的观点是,光信号经光纤传输后,由于吸收、散射等原因引起光功率减小,影响传输距离或中继站间隔距离,导致“通信传不远听不清”。

赵梓森却坚信自己的判断。他坚持研究发现,光纤玻璃的损耗并非“必然”,而是由过渡金属离子产生,如果将其含量控制在百万分之一以下,吸收损耗就在10dB/km以下,再改进拉丝工艺和热处理技术,损耗就会降到更低,对光传输的影响也微乎其微。

这一发现使赵梓森更有了信心。他白天参加政治学习,晚上在家偷偷钻研光纤。

在一无技术、二无设备、三无人员的情况下,赵梓森开始了中国的光纤攻关。

经过再三努力说服领导,赵梓森在单位办公楼一楼厕所旁改造出一间实验室。他找来几位年轻同事做帮手,采用最简易的实验设备(电炉、试管和酒精灯等)、最简单的工艺(烧烤)和最基础的原料(四氯化硅、氧气),经过一年多时间数千次的试验,熔炼出高纯度的石英玻璃。以此试验为基础,采用化学气相沉积法绘制出300多张图纸,利用旧车床和废旧机械零件制造出一台光纤拉丝机。

一次实验中,赵梓森不小心将四氯化硅液体喷进右眼。由于氯气释放浓度太大,眼睛剧痛,晕倒在地。同事们赶紧将其送进医院。“到了医院,医生都愣住了,没见过这种情况,不会治。”赵梓森说,“后来我跟医生说,用蒸馏水冲洗眼睛,然后打吊针消炎就行。”眼睛刚一消肿,还未痊愈,赵梓森又回到了实验室。

经过近三年的努力,我国第一根实用型、短波长和阶跃型石英光纤终于诞生了。在1977年举办的“邮电部工业学大庆展览会”上,赵梓森通过自行研制的光纤,成功传输黑白电视信号,引起国家的重视。光纤通信因此被破格列为国家重点攻关项目。我国的光纤通信技术从此迈入了“快车道”。

追求真理不盲从 为我国光通信技术探索出正确路径

当时的中国,因为长期的政治运动和信息闭塞,几乎没人相信玻璃丝可以通信,而且,自主研发的试验条件不具备,既然美英等国已在研制光纤通信技术并取得初步的成功,我国是否可以引进外国产品来发展我国通信技术?

“科学没有捷径可走。通往真相的路,得自己寻找。”赵梓森意识到,虽然依靠进口光纤可以短时间内建构起我国的通信网络,但核心部件却永远被人“卡脖子”。于是,他抓住一切可能的时机,不遗余力地呼吁我国支持和发展光纤通信研究。

其实,在当时,我国多个部委和研究机构也都着手研究光通信技术。福建物质结构研究所开展激光通信研究的方案也得到相关部门的支持,并在1972年3月正式立项为国家重点科研项目“723”机,主要从事光纤波导数字通信和大气激光通信的研究。

1973年,赵梓森在发现“大气传输”存在重大缺陷后,又发现“723”机项目其实也行不通。这个项目采用的多组分玻璃光纤的提纯有极大难度,而且这种光纤的品界反射与散射导致光传输效果不佳。“项目虽然用到了半导体激光器,但只是用于提高泵浦的效率和代替水冷器等,而不是直接做光源。”赵梓森认为,“723”项目存在技术“路线错误”。

发现当时国家确定的两个科研方向“前途堪忧”后,赵梓森决定另寻他路。1974年8月,赵梓森向国务院科技办专门提出,以石英光纤为媒介、半导体激光器做光源、脉冲编码为调制方式的光纤通信技术路线,并被列为国家“五五”计划重点赶超科研项目。

接下来,赵梓森又主持制定了用MCVD法制造石英玻璃光纤预制棒的技术路线。“这就是后来的光纤技术路径。”中国工程院院士余少华说,后来的实践证明,正是这条正确的技术路线,才引领中国通信光纤从无到有并迅速发展,少走了很多弯路。

光纤、激光器、通信机,是光纤通信的三个基本要素。光纤制造出来了,还要解决另两个问题。而这两者在当时都是空白,无任何基础。如果单靠自力更生需要很长时间的摸索,如此会极大地延误光纤通信在我国的推广使用。

“在当时落后的生产设备和工艺条件下,想自力更生去攻关,都无从下手,连工具都没有”。赵梓森回忆那段经历,仍然感慨自己当时的勇气。他坚持认为,试验条件不是最重要的,关键在人,只要有心,任何限制都是可以突破的。

第一步攻关是研制实用型光纤。拉出第一根光纤之后,赵梓森和团队又经过近三年的试制探索,于1980年4月使拉制出的长波长光纤最低损耗值在1.55nm处达到0.29dB/km,最终达到实践应用的要求。

半导体激光器是赵梓森等人面临的又一“拦路虎”。“我知道,引进技术是为了更好地借鉴,决不能单纯依赖。所以我大胆起用年轻人领导激光器自主研发。”回忆起当时决定,赵梓森至今仍深感欣慰。经过两年多的努力,中方主导的长江激光终于生产出我国第一个享有自己知识产权的长波长半导体激光器,摆脱了对美国技术的依赖。

第三步是通信机问题。根据赵梓森的技术方案,光导信号必须是数字信号,需要数字式通信机(PCM机)。但符合PCM机要求的半导体集成块,一些欧美国家正在研制,还未成功。

面对这一“世界难题”,赵梓森没有退缩,也没有等待,他尝试通过“脉冲调相”来替代解决,并在试验中取得成功。随后不久,有外国团队半导体集成块研发取得突破,赵梓森迅速指导团队利用这些集成块,研制出了PCM二代机和三代机。

至此,光纤通信的三道“难关”都相继被攻克了。剩下就是真正商用检验了。

1981年9月,邮电部和国家科委确定在武汉建立一条光缆通信实用化系统,意在通过实际使用,完成商用试验以定型推广。由于其限于1982年完成,所以简称“八二工程”。按照设计方案,这是一个市内电话局间的中继工程,跨越长江、汉水,贯穿武汉三镇,连接武汉四个市话分局。

由于长距离传输,光纤无论是悬于空中,还是埋于地下,总难免发生意外出现断裂。“这些断点有的显而易见,查找容易,有的则十分隐蔽,查找困难。”赵梓森至今还记得当初无数次半夜被叫起来赶往几十公里外修光纤。

若干年后,曾经的同事、武汉邮电科学研究院总顾问毛谦谈起光纤通信实用化阶段的艰辛时,印象最深的还是一次次不分昼夜、不分寒暑随叫随到的检修。当时已是院领导的赵梓森每次都和20多个同事挤在一辆8人座的面包车里,到处奔波。

1982年12月31日,中国光纤通信的第一个实用化系统——“八二工程”按期全线开通,正式进入武汉市市话网,标志着中国进入光纤数字化通信时代。

孜孜追求 一生为通信技术创新不停歇

1995年,赵梓森当选为中国工程院院士。2000年后,赵梓森从领导岗位上退了下来,但仍担任武汉邮电科学研究院首席顾问,担任华中科技大学等学校的博士生导师。已是87岁高龄的赵梓森每天坚持上网查看国内科技学术网站,时常奔赴各大城市甚至海外参加各类学术活动。

赵梓森对自己在我国光纤通信技术上的重大贡献总是看得很淡。每每有人敬称他为“中国光纤之父”时,赵梓森都会摆摆手说,“就是我不搞光纤,还有别人会搞光纤,光纤是世界发展的方向,谁都会跟着来,我只是先走了一步而已。”“至于当不当‘父’,只要我做的事情能对老百姓,对社会有用,我就很高兴了。”

赵梓森现在本可以不去上班了,但院里仍然给他安排了一间办公室、实验室,他告诉记者,他的时间安排很紧凑,也很规律。每天都要去实验室,上下班都是步行。“走路也锻炼了身体,上班走20分钟,下班走22分钟。”

同样距离的路程,为什么用的时间不一样呢?记者正在纳闷,赵梓森突然笑起来,说“一个是下坡,一个是上坡嘛。”

赵梓森的妻子范幼英也是武汉邮电科学研究院高级工程师。“所谓专家专家,就是什么都不会,一辈子只会干一行。”范老开玩笑地对记者说,赵梓森专注于自己的研究事业,即便是现在,还是坚持看各种研究报告,关注光通信的方方面面。

前年,赵梓森通过海外学术文章了解到,现在光纤的主要材料二氧化硅,在生产过程中产生氯气,对环境尚有一些不利影响。为此,他建议用有机硅代替,更加环保。赵梓森的建议得到了新成立的中国信息通信科技集团的采纳。

如今,中国已成为世界最大的光纤光缆生产基地,部分光通信领域已领先全球。赵梓森院士所在的武汉东湖高新区也已成为与美国硅谷齐名的“中国光谷”。

“技术永远是不断发展,我们不抓紧推进,就会落后于人。”赵梓森说,他已深切感受到科技的日新月异和国际竞争的白热化。“中国现在的光纤,已占世界光纤市场的半壁江山。接下来,我们要使用新材料,做更高水平的光纤,继续在世界领跑。”

生活中,赵梓森非常简单。他最大的爱好是拉小提琴。高中时期,赵梓森就开始拉小提琴,门德尔松、巴赫、莫扎特、柴可夫斯基等知名大家他都喜欢。这一爱好,赵梓森一直坚持着,几乎每天都有必拉的曲目,80多岁后,由于手指灵敏度下降,才开始放弃拉琴,改听音乐。

音乐也是赵梓森夫妇共同的爱好。“他拉琴的节拍不一定很准,但绝对投入,锲而不舍,独具韵味,并且每天都拉,从不间断,如同做人……”范幼英说,赵梓森在光纤技术研究最紧张的日子里,仍坚持天天拉琴。其中,有一个关键技术设计就是在拉琴时猛然想到的。“灵感,常常伴随着他的琴声起舞。即使再困难的时候,他仍然是个乐观的舞者”。

是的,反观赵梓森的一生,无论是风雨如晦还是阳光灿烂,无论是科研走进死胡同觉得山穷水尽,还是突然间灵感迸发柳暗花明,他都视作生活的馈赠,命运的安排。他都笑着面对,一如既往地坚持最初的梦想,一步一步地去实现。

36氪首发 发力卫星激光通信，「氦星光联」连续完成天使轮和天使+轮数千万融资

36氪获悉，卫星激光通信设备研制商「氦星光联」（HiStarlink）宣布完成数千万人民币的天使轮系列融资，两轮融资仅间隔一个多月。其中，天使轮由真格基金领投，奇绩创坛共同投资；天使+轮由首业资本投资。天使轮系列募集的资金将持续用于公司星间激光通信以及核心器件的研制，人才团队的壮大，以及商业合作关系的拓展。

成立于2021年8月的「氦星光联」，是中国对标Starlink星上通信技术的商业公司，致力于低功耗小型化星载激光通信终端以及核心器件的研制，主要产品矩阵涵盖了宇航级核心光电器件、超高速通信算法、激光通信终端以及星地激光地面接收系统。公司愿景是“高速连接全宇宙”，通过经验与创新解决卫星互联网中高成本、低速率、高延迟的通信痛点。

图片来源：JAXA

万亿级卫星互联网市场

通信是人类日常活动的根本需求。传统的地面通信设备，由于成本和物理空间（海洋、沙漠等）的限制，无法覆盖全球。

卫星互联技术作为一项颠覆性通信技术，能够为全球人民（包括42%未上网人口，约29亿人）提供全球覆盖网络，拥有万亿元的存量市场规模，以及巨大的增量市场。激光通信终端是低轨卫星网络的标配载荷，国内市场规模超百亿。

地面5G收发是未来“天地互联网”应用地面端的重要触点，未来C端应用广阔，市场规模同样超百亿。

立足于核心光电器件的研发以及低功耗超高速通信算法能力的积累，氦星光联拥有从光电器件、算法到产品验证的全域技术，形成了一定的技术壁垒。目前，氦星光联的产品矩阵涵盖了激光通信终端及其上游光电器件、超高速通信单板研制能力，具有低成本、品控保障、交期保障等特性。

成立四个月以来，氦星光联已完成40Gbit/s超高速通信产品开发以及10Gbit/s宇航级光器件产品开发。高速通信板支持最高双通道40Gbit/s（共 80Gbit/s）的通信能力，能够在恶劣环境下低功耗长期稳定工作。高速宇航级光收发模块可支持更加稳定的光电信号传输，实现7年长期稳定在轨运 行。星载激光通信通信终端能够实现最远5000km距离的星间高速数据传输。

目前，氦星光联已和超过5家战略伙伴建立合作关系，涵盖了多家卫星总体单位、上下游核心供应链等。36氪过往报道的「星测未来」，与氦星光联同为奇绩创坛校友企业，也达成了战略合作关系。氦星光联计划于2022年1季度完成通信能力在轨验证，年底实现双星在轨验证。

氦星光联创始人谭俊博士认为：“卫星互联网相比于传统通信网络是一项颠覆性的改革网络，能够为全球提供低成本且广覆盖低延迟的通信上网服务，坐拥天量市场。由于无法全球建站的基础国情，中国比任何一个国家迫切的需要星间互联。氦星光联正是在这一需求的起风口成立，专注于通信管道业务，为国家提供便宜且稳定可靠的星载激光通信技术与解决方案。”

氦星光联团队非常年轻，团队成员来自于中科院、清华、上交大、哈工大等学府，拥有航天或者华为等顶级大厂多年工作经验。目前，氦星光联在深圳和上海均设有研发销售团队。

行业发展方向

近年来，激光通信终端呈现出高吞吐和轻量化的发展趋势，也呈现出可靠性高、保密性好、低延迟、数据共享能力强的优势。这些行业的特点和优势也引起了各个国家的关注，甚至已经出现了激烈的竞争格局。

首先，在当前国际局势振荡的大环境下，国防领域的实时通讯需求和信息安全，已经成为全球各个国家的关注焦点。激光通信的低延迟和保密性好，正好满足此需求。不同于声波，光波的散射性，激光的发射角较小，能将能量汇聚在狭窄的发射方向商。这意味着相邻卫星之间的干扰会减少，也降低被间谍卫星窃听的可能性。对于政府、金融以及有高数据安全需求的企业非常有帮助。除此之外，激光和卫星的频谱波段不同，目前不受国际电信联盟（ITU）或FCC的管制，不需要进行相应的审核报备。

其次，高速和低延迟的特性，也是激光通信的明显优势。相比于十余年前的传统互联网，当前的地面光纤网络速度让多数用户的使用体验有较大的提升，这也是移动互联网兴起的根基。然而，即使是最好的光纤电缆，仍受到一定的附加物理条件限制，网络传输速度存在一定的延迟。激光通信拥有巨大的潜力，可以降低连接延迟。马斯克曾表示，星链的激光通信系统，数据传输将比光纤快40%。

36氪特邀作者本翼资本，。据分析，激光星间链路仍为主要应用场景，星地链路有望突破。低轨道卫星发展前景广大，将助力激光通信扩大市场。

行业的国际竞争

本轮的激光通信热潮，也是由全球商业航天领域的领头羊SpaceX掀起。

从2020年开始，SpaceX高级认证工程师Kate Tice就透露了星链将具备卫星激光通讯链接的新功能，并成功在轨道上测试了星链卫星的激光通信能力。2021年6月起，SpaceX暂停了数月的卫星发射安排。在后续新闻中，SpaceX解释为公司希望整合卫星激光通信系统。

星链的高调进展，也让激光通信引起了国内外的高度关注。行业内一直传闻星链的激光通信设备供应商为德国的Mynaric，这家公司在高管和业务进展层面与SpaceX有非常耦合的关系，但SpaceX并没有正面回应过该传闻。

成立于2009年的Mynaric，是一家总部位于德国慕尼黑的激光通信设备供应商，与德国航天局（DLR）之间有密切的研发合作关系，目前已在纳斯达克和法兰克福上市，客户包括美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国小型SAR卫星企业领头羊Capella Space等。2020年7月底，Mynaric收到德国政府的通知，禁止向中国提供激光通信设备。据行业传闻，有接近170万欧元的合同因为此禁令被取消。这也给了氦星光联更多的成长空间和机会。

除了初创企业外，许多欧美的传统航天巨头或单位，也在发力激光通信行业，包括空客公司（Airbus），瑞士的RUAG Space，美国军工巨头诺斯洛普·格鲁曼（Northrop Grumman）与俄罗斯联邦航天局旗下的TsNIImash。

亚洲范围内，日本的发展也非常迅速。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）与三菱重工、索尼等企业合作了非常多的激光通信项目，开展了空间站在轨试验等项目。

在中国，当前国营单位也在积极准备。中国航天科工二院25所基于虹云工程正在研制高性能星间激光通信终端。2020年08月21日，由中国航天三江集团所属航天行云公司抓总研制的“行云二号”卫星，搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，实现了建链流程完整、遥测状态稳定的双向通信，代表我国卫星物联网星座实现星间激光通信技术突破。

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