【精彩】 光电振荡器的前世今生
引言：
近日网上流传出一份30位华人入选IEEE Fellow 2019的消息。其中包括华人科学家姚晓天博士因为“引领光电振荡器和光偏振设备的发展”而入选。
IEEE是是当今世界电子、电气、计算机、通信、自动化工程技术研究领域最著名、规模最大的非营利性跨国学术组织。IEEE Fellow即IEEE是该组织授予的最高荣誉，当选科学家基本都是在科学与工程技术领域内取得重要成就的杰出科学家。
那么，姚晓天博士所“引领发展的光电振荡器”究竟是个什么东西呢？要想真正了解这一高科技产物的重大意义，还要从人类振荡器发展历史谈起。
一、从伽利略发现计时用的钟摆说起
远古时代的人类，因为没有计时工具，都遵从着日出而作，日落而息的生活规律。太阳运行的周而复始成了人类计时的参照物。后来，人们发明了沙漏、日晷和更香，可以将一天的时间进行比较细致的划分。然而，这些计时方法的最大缺点就是误差大，不能有一个全社会统一的计时标准。
沙漏计时 日晷移影计时 香燃烧计时
直到有一天，一个年轻人在教堂里的心不在焉，造成了人类历史上计时技术的重大突破，为人类的文明发展起到了重大推动作用。这个人就是意大利人伽利略。
伽利略是16～17世纪的伟大科学家，提到伽利略，很多人会想起他在比萨斜塔上的一个重力加速度试验，使得比萨斜塔世界闻名。对，就是这个伽利略，还是钟表的鼻祖――摆的发明者。
在伽利略年轻的时候，有一次到教堂进行祷告，忽然对教堂顶上的吊灯发生了兴趣。他发现，每个吊灯都有自己的摆动周期。祷告结束后，他回到实验室进行了精心的试验，终于总结出来了摆的规律。那就是，只要摆的长度确定了，无论用多大的力量推动它，它的摆动周期都是固定的。这一发现奠定了钟表的准确计时基础，后来另外一名科学家惠更斯在此基础上发明了可以供大众使用的机械钟表。
科学家伽利略 伽利略单摆 钟摆
钟的准确计时原理很简单，它使用一个可以自由摆动的“摆”作为准确的计时基准，通过连接在后面的一系列变速齿轮，将摆的周期分解成时、分、秒的计数。只要钟摆的周期恒定，后面的分针和时针都会稳定准确地走动。如果调节钟摆的长短，就可以调节钟表的快慢。
后来，人们在此基础上，发现弹簧的伸缩也具有稳定的周期性，于是，以弹簧摆为计时基础的怀表、手表就出现了。
“摆”可以说是人类历史上的第一代振荡器，这个时候的振荡器主要是用来记录时间，所以也有人把振荡器叫做时钟，以至于到后来更多先进的振荡器被发明出来，人们仍然习惯这样叫。
第一代振荡器的出现，给人类的生活带来了质的飞跃，从此，人类有了统一的计时工具，大家不用再随着日头决定每个人的作息。可以统一步调进行社会活动。火车、汽车、轮船有了准确的出行和到站的时间，人们工作可以按照同样的时间上下班……，整个人类社会有了秩序，生产力大大提高了。
第一代振荡器造就了钟表的出现，但是振荡器对人类的贡献还远远没有结束。几十年以后，人类又发明了电子振荡器。
二、改变世界的电子振荡器
学过中学物理的人都知道，将一个电容和一个电感连接后搭成一个回路，就构成了电子振荡器。电子振荡器的最大特点就是可以产生非常高的电子振荡频率。而这种高频电子振荡有一个重要的特征，就是可以通过天线发射出去，并传播很远的距离。
电子振荡器可以称做第二代振荡器，它的出现，成就了无线电通信和有线通信，后来的广播电视，电报电话，都是在高频振荡频率上面加载了各种信号进行传送。也就是从这个阶段开始，振荡器的角色已经不单单是用来计时了，它的振荡，还需要满足承载其他信号的要求。不可否认，正是这些通信手段的发展，把人类的生活推向了一个崭新的阶段。
LC振荡器电路 电容器 电感器
前面提到的第一代振荡器属于机械振荡器，它有一个很大的缺点，就是频率很低，只能用作钟表的基准。同样，第二代振荡器――电子振荡器也有其致命的缺点，就是电子噪声非常大，而且是频率越高噪声越大，这一缺点是因为电路本身的特征所决定的，也是无法克服的。正是因为这个缺点，很多电器要带着庞大的消除噪声的电路，通信的频段也受到了大大的限制。
但是，人类是不会因为这点困难而停止探索的步伐，振荡器的发展也依旧没有结束。随着材料科学的发展，一种叫做人工水晶的晶体材料诞生了。
三、小巧玲珑的石英振荡器
说石英振荡器可能大家会有点陌生，说到“晶振”这个词，有一点电子电路设计知识的人就没有不知道的了。
水晶本来是一种天然的宝石，从远古时期，人类就用它来做装饰品。
人工水晶晶体 晶振器件 石英钟
到了近代，科学家发现，水晶有着一个奇异的电子特征――压电效应，就是说，如果给水晶材料施加压力，在它的两端就会出生电势差，相反，如果在它两端加上电压，水晶本身就会产生变形。如果这种电压按照一定的规律反复加减，水晶就会产生振荡。随着水晶的体形不同，产生振荡的频率也会不一样。将特殊切、磨好的水晶片焊上电极加入到电路当中，就成了一个高质量的振荡器。
水晶的压电效应早就被发现了，但是因为自然界水晶的储量有限，而能做电子应用的高品质水晶更少，这就大大地限制了水晶的应用，当时只是用在军事通讯方面。直到上个世纪中期，人们可以大量人工制造水晶以后，水晶振荡器（也叫石英振荡器）才真正开始在百姓生活中发挥作用。
石英振荡器的普及，使得人类的生活质量向前进了一大步。石英振荡器的特点是频率高、振荡稳定、噪声低、体积小、价格便宜，这使得它成为了推动电子产品技术发展的重要基础。就是因为它的出现，使得数字电路成了电子技术的主要技术。在短短的十几年中，电脑、手机、家用电器，只要是有电路的地方，几乎都有它的身影。
为什么说石英振荡器在电子产品中非常重要呢？这要从电子电路的工作原理说起。
我们知道，现代电子电路中，其工作的时候主要是通过程序，使内部的电信号按照特定的规律在电路中传播，从而实现运算，进而输出通讯信号，达到指挥用电器的工作。无论是电脑、电话、冰箱等电器，其基本工作原理大致都是如此。
而这样复杂的电路运算，所有的电信号都是由一个个密集的电脉冲组成。这些电脉冲必须建立在一个统一的振荡电信号基础之上，才能保证运算的正常进行。而这个基础振荡电信号就是由石英振荡器来提供。
对于基础电振荡器来说，它所能提供的频率越高，运算电路里的电信号就可以越密集，也就是说运算速度就越快。同时这个振荡器还必须是低噪声、不随着环境变化而发生频率漂移，只有这样的基础频率才能保证运算的准确性。
从各方面来说，石英振荡器都是一个非常优秀的振荡器，同时由于它的价格低廉，已经成为当今电子产品不可或缺的东西。有一个生活中的小例子可以说明石英振荡器的优越特性。年纪大一点的人都记得，过去大家都有一个经常和广播电台对时间的习惯，这是因为当时的家庭和个人都是使用机械钟表，走时不是很准。自从以石英振荡器为基准的石英钟、石英表问世以来，人们逐渐不再需要和广播核对时间了，好一点的石英表往往几年的时间内，走时误差都不会超过1秒钟。
四、晶振的极限和困扰
虽然我们已经享受到了电脑、手机、家用电器给我们带来的生活质量上的飞跃，可是我们依旧在抱怨计算机运算速度慢、上网的网速慢、手机信号不好等，这些要求都给石英振荡器出了难题，因为人类对石英振荡器的使用已经达到了极限，石英振荡器的频率已经不能再高了。
举例来说，手机电话的普遍使用数量是会受到频率带宽的限制的。以目前的技术，在一个无线电频率范围内，只能容纳有限数量的手机同时工作。其实，我们现在的手机总容量已经超过了现有频率范围可容纳的数量。换句话说，如果现在出现突发事件，大家一起开启自己的手机进行通话，整个无线通信网络就会瘫痪下来。我们现在打手机的时候经常会碰上信号质量差的情况，有的时候就是由于这个原因。如果要提高现有通讯频率下手机的容量，就要大幅度提高手机和手机机站电路的基础频率，使得在同一频段中承载更多的信号。遗憾的是，石英振荡器已经无力承担这个任务了。
晶振电路 手机应用 信号差
那么，水晶晶振为什么频率不能再高了呢？原来，晶振的频率高低，和晶振用的水晶片的厚度有关，水晶片厚度越薄，产生的振荡频率越高。然而，人类对于高频的渴求是贪得无厌的，现在高频的晶振，里面的水晶片已经薄到了极限，其频率依然不能满足人类需要。说到这里，懂得一些电路知识的人也许会说，“可以通过电路对已有的频率进行倍频，从而产生更高的频率呀！”确实如此，通过电路设计对晶振产生的频率进行放大，可以获得更高的频率，但是这种放大是有限的，因为在对频率放大的同时，电路中的噪声也跟着被放大，以至于会将通信信号淹没在这些噪声中。
那么，人类对于高频的追求就这样达到了极限了吗？不会的，这不是，光电振荡器不是被发明出来了吗？
五、光电振荡器横空出世：
科学技术的发展，一度因为基础振荡器的极限而使得脚步慢了下来，终于，在上世纪九十年代，工作于美国宇航局喷气动力实验室的华裔科学家姚晓天博士发明了光电振荡器，打破了人类振荡器开发进步的僵局。这种振荡器频率比最快的石英谐振器高近一千倍，而噪声却比石英振荡器还低，且振荡频率不受外界环境影响，成本也能够降得很低。
CCTV《发现之旅》报道姚晓天博士发明光电振荡器
那么，什么是光电振荡器呢？这还要从前面所说的几种振荡器的工作原理谈起。
如果总结一下上面振荡器产生振荡的原理你会发现，振荡器的振荡，就是两种能量形式之间的有规律地相互转换。
对于“摆”这种振荡器来说，它属于机械振荡，当“摆”摆动到两侧的最高点的时候是静止的，它的势能最大，动能为零，所有机械能都转化成了势能。当它摆动到下方最低点的时候运动速度最快，这时候它的动能最大，势能为零。“摆”就是这样从动能－势能－动能不断地转换产生了具有固定周期的振荡。
对于电子振荡器来说，因为它是由电容和电感构成，所以它的振荡是通过电容器的电场能量和电感器的磁场能量之间的不断转换而形成振荡。
石英振荡器的工作原理和上面两种振荡器有较大区别，上面的两种振荡器只是同一种能量的不同能量形式之间的转换，而石英振荡器是电能和机械能之间的转换，给石英晶体压力，它两端就产生了电压，机械能变成了电能。给它加电压，它就产生形变，电能变成了机械能，这样周而复始，形成了振荡。
从上面的总结我们还发现了一个问题，每当人类发现了新的能量转换方式，振荡器的发展就会产生一个飞跃。从这一点看，姚晓天博士发明的光电振荡器正是符合了这一规律，因为，光电振荡器是一种全新的能量转换方式，它是通过光能和电能之间的不断转换而产生振荡。
光电振荡器因为使用了光能作为振荡能量转换媒介，所以噪声低，频率高，不受外界环境（如温度、电磁辐射等）变化的影响。成为当今振荡器中综合性能最好的振荡器。
光电振荡器构想的出现具有一定的偶然性，它是姚晓天博士在研究如何消除光通信噪声的时候，突发奇想发明出来的。
在光电振荡器发明过程中，还有一个有趣事情。姚晓天博士在实验室里最先做出来的光电振荡器，是采用光纤环作为光储能元件，这样做出来的第一代光电振荡器，体积大约是一个篮球大小，这样大的体积在一定程度上使得这种先进产物的应用受到了很大限制。后来，姚博士受到北京天坛回音壁的启发，设计出了一种将光能储存在一个毫米大小的微型石英小球当中，使得整个光电振荡器体积如一枚硬币大小，能够很容易集成到各种电路板当中。
光储能小球 光在小球中打转 天坛和回音壁
目前，美国一家叫做光电波公司正在使用姚晓天博士的这一发明专利进行光电振荡器产品的进一步开发，产品已经在一些尖端技术领域得到了非常好的应用。
已经商用的光电振荡器
纵观振荡器的发展历程，机械振荡器的出现让人类有了准确的时间概念。电子振荡器的出现给人类带来了远程通讯。石英振荡器的出现带来了数字电信号的实现，使得电子技术和人类的生活息息相关。现在，一个性能更加优良的光电振荡器问世了，它除了前面所述解决无线通信的通信质量、计算机速度、网络速度等现实问题以外，必将还会给人类生活带来更大的变迁。
（完）