世界上第一根光纖,是誰造出來的?

1966年,就職於英國標準電信實驗有限公司的華裔科學家高錕(K.C.Kao),聯合他的同事喬治·霍克漢姆(G.A.Hockham),共同發表了一篇題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文。

論文標題

論文標題

在論文中,他們明確提出,只要解決了玻璃纖維的純度問題(減少雜質),就可以減少光信號在玻璃纖維中的衰減。

當衰減率下降到20 db/km時,這根玻璃纖維,就可以用於實用型通訊。

正在做實驗的高錕

正在做實驗的高錕

這篇論文,後來被視為光纖通訊理論的奠基之作。它開啟了光纖時代的大門,也改變了人類通訊技術的走向。

現在我們都知道,這篇論文意義重大。但實際上,論文發佈之初,並沒有獲得行業的認可。

當時,沒有人相信高錕的結論。所有人都認為,高錕所設想的「沒有雜質的玻璃」,是不存在的。

為了證明自己的理論,高錕造訪了世界各地的玻璃工廠,試圖尋求合作。

但是,這些工廠都拒絕了高錕。他們不打算進行深入研究,因為這種研究「無意義且耗資巨大」。

1966年的年底,事情迎來了轉機。

一位名叫威廉·謝弗(William Shaver)的工程師,在英國倫敦的郵局研究實驗室訪問,看到了實驗室介紹的光纖通訊項目,產生了濃厚的興趣。

威廉·謝弗所服務的公司,不是一家普通公司,而是美國曆史最悠久的玻璃製造企業——康寧公司(Corning Glass Works)。

康寧公司成立於1851年

康寧公司成立於1851年。

據說,愛迪生髮明電燈的玻璃燈泡,就是他們造的。

回到美國後,威廉·謝弗向公司高層彙報了自己的見聞,並強烈建議公司進行光纖研究。

威廉·謝弗的建議,得到了康寧公司高層的重視。很快,他們就低調啟動了高純度玻璃纖維的研發。

負責牽頭這項工作的,是康寧公司的研發總監——比爾·阿姆斯特德(Bill Armistead)。

比爾·阿姆斯特德

比爾·阿姆斯特德

他找來了公司物理學家羅伯特·毛瑞爾(Robert Maurer),配給他兩名新入職的年輕研究員(化學家皮特·舒爾茨、實驗物理學家唐納德·凱克),從而組建了一個3人研究小組。

左起

左起:

唐納德·凱克(Donald Keck)

羅伯特·毛瑞爾(Robert Maurer)

皮特·舒爾茨(Pete Schultz)

作為小組組長的羅伯特·毛瑞爾,是一個頗具傳奇色彩的人物。

羅伯特·毛瑞爾

羅伯特·毛瑞爾

他出生於1924年,年輕時參加過二戰,獲得過紫心勳章。戰爭結束後,他返回大學學習,拿到了麻省理工學院的低溫物理學博士學位,並進入康寧公司工作(1952年)。

值得一提的是,1956年12月,他發表在《化學物理雜誌》上的一篇關於「玻璃是冷凍液體」的理論論文,曾經被高錕那篇經典論文引用過,算是兩人最早的交集。

3人小組正式啟動研究後,就發現自己面對的是一項巨大的挑戰。

當時,純度最高的玻璃纖維,衰減率約為 1000 dB/km。想要將這個值減小到 20 dB/km,並不是50倍的關係,而是驚人的10的98次方係數關係。

棗君注:dB=10*lg(A/B),表示兩個數(A和B)的比值大小。A是B的2倍時,是3dB。A是B的1萬倍時,是40dB。A是B的100萬倍時,是60dB。

對他們來說,有兩種可行的起步方案:第一,採用大量高純度的光學玻璃。第二,熔融石英(SiO2,二氧化矽),因為石英可以做到高純度。

第一種是比較成熟的方案,也是那時大部分同行選擇的方案。但是,羅伯特·毛瑞爾獨闢蹊徑,選擇了第二種方案。

事後他回憶道:「如果你做的事情與其他人所做的不同,你就有兩個優勢。一,你可能會在他們失敗的地方取得成功。二,如果你失敗了,會收集到他們沒有收集到的資訊。」

二氧化矽是一個純度很高的材料。但是,它的熔解溫度極高,需要1650℃。一般的烤爐,根本達不到這樣的溫度。

經過一番調查,羅伯特·毛瑞爾找來了化學博士弗蘭克·齊馬(Frank Zimar)幫忙。

弗蘭克·齊馬曾經為康寧早期的半導體項目建造了一個烤爐,可以實現2000°C的高溫。

在弗蘭克·齊馬的幫助下,1967年,羅伯特·毛瑞爾的小組基於摻鈦二氧化矽,拉出了第一根試驗型單模光纖。經過測試,這根光纖的衰減仍然很高,但相比之前已有很大的改進。這增強了研究小組的信心。

後來,研究小組經過反覆嘗試,逐漸掌握了光纖預製棒的拉制技巧,還有菸灰沉積物處理等關鍵技術。他們製造的光纖,衰減率指標不斷改進,逐漸逼近理論值。

3人小組的研究進展,被康寧公司嚴格保密。直到1970年5月11日,康寧公司基於已取得的成果,申請了兩項專利。

第一個專利,是羅伯特·毛瑞爾和皮特·舒爾茨的「熔融石英光波導」,用於具有純石英包層和摻雜石英芯的光纖。

第二個專利,是唐納德·凱克和皮特·舒爾茨的「生產光波導纖維的方法」,涵蓋了後來眾所周知的內部氣相沉積(IVD)工藝。

1970年7月22日,研究小組從6個不同成分的摻鈦預製棒中,拉出6根光纖。

8月7日,他們對這些光纖進行測試。在測試一根29米長的光纖時,他們得到了一個驚人的衰減值結果——17 dB/km。這是有史以來第一次達到 20 dB/km的論文目標。

唐納德·凱克激動地將這個數字記錄在筆記本上,還寫下了「Whoopee(哈哈的意思,表示興奮)!」的字樣。

29米的光纖長度較短,可能影響測試結果的準確性。為了更加嚴謹,8月21日,他們又拉出了一根210米的光纖,並進行測試。

當唐納德·凱克的氦氖鐳射器進入光纖纖芯時,他驚訝地看到一道非常明亮的紅色閃光。他意識到,這是來自光纖遠端的菲涅爾反射。此時,他記錄下了光纖衰減率的測試結果——16.9 dB/km

終於,他們可以鬆口氣了。世界上第一根符合理論的低損耗試驗性光纖,正式誕生。

研究小組和他們的光纖成品(左下角)

研究小組和他們的光纖成品(左下角)

1970年9月底,羅伯特·毛瑞爾飛往倫敦,在英國電氣工程師協會主辦的「導波幹線通訊」會議上,宣佈了自己團隊的研究成果,引起了整個行業的轟動。

後來,英國郵局實驗室和標準電信實驗室專門對他們的光纖進行測試,驗證了他們的成果。

康寧的光纖研製成功後,並沒有馬上上市商用。因為,他們的光纖使用的是摻鈦纖芯,還存在一些技術缺陷。

兩年之後,1972年6月,康寧公司以摻鍺纖芯代替摻鈦纖芯,採用外部氣相沉積 (OVD),製造出了一條損耗低至4 dB/km的多模光纖。

這根光纖,不僅衰減更低,而且實用性更強,製造過程更為簡單。

正在使用OVD法制作摻鍺光纖預製棒的皮特·舒爾茨(1972年)

後來,因為經濟衰退的原因,康寧公司的發展遇到了一些問題,影響了他們對光纖技術的商用推廣。

為了籌措資金,在康寧公司董事長兼執行長艾默裡·霍頓(Amory Houghton)的支持下,康寧光纖業務負責人查克·露西(Chuck Lucy)與多家通訊公司進行談判,簽訂了聯合開發協議,分攤開發成本。

這些協議,加快光纖技術的商用落地。1976年,美國AT&T公司在亞特蘭大安裝了世界上第一個實驗性光纖通訊系統,長度約為1.25英里(約2000米)。

三年後,1979年,日本電報電話公司(NTT)研製出了 0.2 dB/km的極低損耗石英光纖。這個衰減值, 基本接近了散射的理論極限。

1980年,普萊西德湖冬奧會首次使用光纖電纜傳輸電視信號,取得了巨大成功。

再後來的故事,大家應該都比較熟悉了。

80-90年代,光纖技術迅速崛起,成為有線通訊中重要的傳輸介質。進入21世紀,光纖更是全面取代金屬線纜,成為整個通訊網路的骨幹底座。單根光纖所能傳輸的資料量,早已突破了TB/s級別。

如今,全球光纜年需求量超過5億芯公里。這些光纖,傳輸著海量的資料,支撐著整個社會的發展,也為人類的文明進步,做出著巨大的貢獻。

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