台灣競爭激烈的4G頻譜競標作業終於在今年（2013）10月30日上午宣告落幕，電信業戰國六雄(原為七雄，包括中華電信、遠傳電信、台灣大哥大、鴻海、頂新集團、亞太電信以及棄標的新光集團)的總標金，結算高達1,186.5億元，遠高於底價的359億元。在4G時代來臨之前，台灣電信業者聯手締造了我國電信業頻譜競標史上四個第一，包括總標金最高（1,186.5億元）、溢價率最大（231%）、釋出頻寬最廣（135Mx2 Hz），以及競標天數最長（回合數最多，六家業者經歷40天共393個回合）的競標紀錄。

11月14日，行政院政務委員張善政表示，國內4G標金突破千億元，使國庫收入增加800多億元，依照程序，該4G標金將全數繳入國庫。同時，政府將會以編列3年150億元預算的方式協助4G產業發展，並規劃釋出政府機關的公有建築物，如遍布全國的郵局、消防局、派出所等設立基地台，以及協調各電信業者「共構共站」Wi-Fi基地台，讓4G通訊系統能在明年（2014)底順利開台，期使解決行動上網經常塞車的問題。

根據以上的新聞內容，我們至少可以確信在最近幾年內，電信業將是我國最重要且投資金額最龐大的產業之一。同時，我們更需要了解，不論是目前大家所熟悉的手機與通訊設備產業，抑或未來的巨量資料(Big data)傳輸和雲端運算(Cloud computing)等產業，都要仰賴光纖網路的鋪設作為其基礎建設的骨幹，才能正常運作。反過來說，如果沒有光纖技術的發明，今日許多國際知名的通訊業大廠如Qualcomm、Cisco與華為等，都不可能存在，因為電信業者的應用技術不論是有線或無線通訊，其基地台與基地台之間的長途傳輸，都要經由光纖網路的媒介，始能完成文字、語音或影像等巨量資料的傳送動作。

因此，筆者有意藉此機會，打鐵趁熱，特地為讀者們介紹現代通信業的核心，光纖通信技術的發明與其基礎專利的內容，希望能讓我國內業者見賢思齊，並進而提醒我國科技業界重視研發創新的重要性，以激勵我輩研發人員低迷已久的士氣。

光纖通訊之父 -- 高錕博士

2009年10月6日，瑞典皇家科學院宣佈由高錕博士 獲得當年度的諾貝爾物理學獎，同年12月10日在首都斯德哥爾摩舉行的頒獎典禮上，瑞典國王古斯塔夫ž卡爾16世(Carl XVI Gustaf)破例地步下台階，走到高錕博士的座位旁邊頒獎給這位對人類科學發展貢獻卓著卻不幸已患有阿茲海默症的科學家。

圖一，瑞典國王走到高錕博士的座位旁邊頒獎(資料來源:新華網)

高錕博士也是第八位獲得諾貝爾獎的華人，其獲得諾貝爾獎的主要論文《介電波導管的光波傳送》，“Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”，發表於1966年的《英國電子工程師學會學報》上，該論文提出證明：以純化的石英玻璃纖維作為長距離傳輸導體傳送光訊號之可行性，當玻璃纖維內的光信號衰減率（Attenuation）下降到每公里20分貝時，光纖通訊即可成功。高錕博士並預測，用石英基玻璃纖維進行長距離信息傳遞，將帶來一場通訊事業的革命，奠定了今日網路時代的基礎。同時，相對於銅質電線或無線電傳訊，光纖的頻寬高出很多，傳遞的資訊更多出數萬倍，不易被竊聽且不受雷電和惡劣天氣的影響，使光纖成為今天網路通訊的脊樑。

諾貝爾物理學獎，以往大多授予純理論研究學者，該年卻一反常態，頒贈給高錕博士這樣的一位應用物理學家。該年物理學獎的獎金分配是高錕博士獨得一半，即500萬瑞典克朗（約70萬美元）。

科學家早於1930年代已發明可傳導光線的光纖，但是只能作為藝術照明與內視鏡等用途，至於使用光纖傳遞資訊的構想，因受限於舊式光纖的光能傳遞損耗率過高，光線穿過20米的光纖後只剩1%，根本不能用於長途通訊。1960年，高錕博士進入ITT（國際電話電報公司）旗下的英國標準電訊實驗室 工作時，決心克服這個難關，其任職ITT期間長達26年，都在進行這項科學研究與完善其成果。

同一年，美國人梅曼（Theodore Harold Maiman）通過用強光刺激紅寶石而產生了強度和準直度都極高的雷射光，使得用光來傳遞信息有了第一個必要條件，於是高錕博士借力使力，開始了對光纖的研究和試驗。當時，多數人並不相信這項理論，直到ITT找上了全球玻璃基板業的龍頭廠商，美國康寧（Corning）公司將高錕博士的理論進行實作驗證，而後於1970年，康寧公司量產出低損失光纖，才讓這一項偉大的理論真正實現。

佛門高僧證嚴法師曾說過:「用簡單的心態做複雜的事。」誠哉斯言! 筆者舉高錕博士專心一意的研究生涯與前述之嘉言做一對比，可以說:「高錕博士作為一個科學家，其思想精粹，專心致志，淡泊名利，而終能卓然有成 。」

創新發明與專利佈局的典範

高錕博士在電磁波導、陶瓷科學（包括光纖製造技術）方面共獲得28項專利。其中與光纖技術有關聯者，筆者在美國專利資料庫中檢索得15件專利。從這15件專利中，我們可以得知，高錕博士窮其半生之心力，不但致力於光纖通信相關技術的研究與發明，他更將該技術領域中相互獨立且前所未見的技術內涵皆申請專利，以逐步地完成其涵蓋層面相當廣泛的專利佈局。也就是說，在光纖通信相關技術的專利地圖上，高錕博士的每一件基礎專利就是一座獨立的山頭，在掌握專利制高點的前提下，理所當然地成為業界後輩引用與學習的先前技術。筆者因此藉本文為各位讀者做該等專利技術之摘要介紹，以利有興趣的讀者學習。

首先，光纖技術開宗明義是建立在電磁波導(waveguide)的理論基礎上。1970年，人類史上第一件光纖通訊技術的專利於焉誕生，專利名稱為”Waveguide for electromagnetic waves”，專利號碼為US3,549,233，發明人為    Eaglesfield Charles Cecil與 Kao Charles Kuen（高錕博士）。

該專利說明書中記載：根據本發明，提供了一種電介質波導管以作為電磁能的傳輸，如圖二所示為該圓柱形波導管之橫剖面示意圖，包括一纖芯(標示1，fiber core)，一較低折射率的透明電介質材料作為與纖芯緊密接觸的內護套(標示2，inner sheath)，一具有與內護套相同的折射率且透明度較低的外護套(標示3，outer sheath)，內護套和外護套之間必須緊密接觸。

圖二，圓柱形電介質波導管之縱剖面示意圖（資料來源:USPTO, 3,549,233號專利）

在圖二所示之圓柱形波導管內，可產生如圖三所示二種電磁能傳輸模式。

圖三，圓柱形電介質波導管之電磁能傳輸模式（資料來源:USPTO, 3,549,233號專利）

傳輸模式一，是來自內外層護套之間的反射向量x，設該內外層護套之間的折射率為R1與 R11，可得一關係式如下：

其中，n+ik 為外層護套之複數折射階數，n為內層護套之折射階數，K=k/n 為外層護套之衰減階數，θ與θ´分別為內外層護套之間的入射與折射角，d為內層護套之外徑，λ為光波之波長，故可推得每單位軸向長度的最小信號衰減分貝值如下：

傳輸模式二，是來自外層護套內面的反射向量y，當光波穿出內層護套時，可推得每單位軸向長度的最小信號衰減分貝值如下，

簡單地說，光纖就是根據「全反射」的原理來傳輸光波，而在信號衰減分貝值最小的理想狀況下，整條光纖就像一條周圍都是鏡子的管線，一旦光線進入這條管子，它再也跑不出來，只能從進口的這一端乖乖地跑到出口的那一端，這就完成了「光波」的傳輸。

最值得一提的是，作為一項開山始祖的專利，本案的專利申請範圍（請求項）僅有一個獨立項與一個附屬項，內容簡潔扼要卻涵蓋該光纖技術之所有可能實施態樣，也附於文末以供讀者參考。

附註

1. 高錕，1933年出生在江蘇省金山縣（今上海市金山區），住家在法租界。父親高君湘曾任上海東吳大學法學院（Comparative Law School of China）教授，並且是執業律師，曾供職於國際法庭。 高錕入學前，父親曾聘老師在家教導四書五經。10歲，就讀上海世界學校（今日的國際學校），在上海完成小學與初中一年級課程。除了讀中文之外，學校也聘請留法的學者教授英文和法文以加強學生們的國際觀。童年的高錕對化學與無線電十分感興趣，常利用家中三樓作為實驗室摸索未知的事物。由此可知，高錕出身於書香世第，白領菁英的家庭環境，對其日後學業與工作的發展，具有相當正面的影響。 1948年因國共內戰情勢逆轉，高錕隨全家移居臺灣。1949年又移民香港，他進入有「狀元搖籃」之稱的聖若瑟書院就讀。中學畢業後，他考入香港大學。由於當時港大沒有電機工程系，他便遠赴英國東倫敦伍爾維奇理工學院（Woolwich Polytechnic，現為英國格林威治大學，Greenwich University）就讀。1957年，他從伍爾維奇理工學院電子工程系畢業。1965年，在倫敦大學下屬的帝國理工學院(Imperial College London)獲得電機工程博士學位。
2. 該年另兩位物理學得獎人是Willard Boyle和George Smith，各得1/4的獎金，其受表揚的發明為電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD），或稱半導體影像感測器，這項發明也為後來的數位攝影技術奠下基礎。
3. 英國標準電訊實驗室於ITT的地位，相當於赫赫有名的AT&T之貝爾實驗室。
4. 高錕先生一生只在一家公司服務過，即ITT公司，為時長達26年，其間的職務是由工程師一路晉升到Scientist主管。高錕先生一生只在一所大學任教過，即香港中文大學，從教授到校長職務，為時長達23年。此外，高錕先生一生只娶過一任妻子，即黃美芸女士，在高錕先生的自傳《潮平岸闊──高錕自述》中描述當年畢業後加入ITT英國公司，在幾乎全是白種人的同事中，發現了唯一一張東方女性的臉孔，這就是後來成為他太太的黃美芸，她以電腦程式編寫的專長成為高錕先生得力的工作夥伴，兩人廝守半個世紀，相互扶持且鶼鰈情深。高錕先生這種以簡馭繁的生活哲學，頗值得吾等後生晚輩們參考。

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