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世界上第一根光纤,是谁造出来的?

发布日期:2022-12-02 网站维护

1966 年,就职于英国(the United Kingdom)标准电信实验有限公司的华裔科学家高锟(K.C.Kao),联合他的同事乔治・霍克汉姆(G.A.Hockham),共同发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文。

论文标题

在论文中,他们明确提出,只要解决了玻璃纤维的纯度问题(减少杂质),就可以减少光信号在玻璃纤维中的衰减。

当衰减率下降到 20 db/km 时,这根玻璃纤维,就可以用于实用型通信。

正在做实验的高锟

这篇论文,后来被视为光纤通信理论的奠基之作。它开启了光纤时代的大门,也改变了人类通信技术的走向。

现在我们都知道,这篇论文意义重大。但实际上,论文发布之初,并没有获得行业的认可。

当时,没有人相信高锟的结论。所有人都认为,高锟所设想的“没有杂质的玻璃”,是不存在的。

为了证明自己的理论,高锟造访了世界各地的玻璃工厂,试图寻求合作。

但是,这些工厂都拒绝了高锟。他们不打算进行深入研究,因为这种研究“无意义且耗资巨大”。

1966 年的年底,事情迎来了转机。

一位名叫威廉・谢弗(William Shaver)的工程师,在英国伦敦(London 英国首都)的邮局研究实验室访问,看到了实验室介绍的光纤通信项目,产生了浓厚的兴趣。

威廉・谢弗所服务的公司,不是一家普通公司,而是美国(America)历史最悠久的玻璃制造企业 —— 康宁公司(Corning Glass Works)。

康宁公司成立于 1851 年。

据说,爱迪生发明电灯的玻璃灯泡,就是他们造的。

回到美国(America)后,威廉・谢弗向公司高层汇报了自己的见闻,并强烈建议公司进行光纤研究。

威廉・谢弗的建议,得到了康宁公司高层的重视。很快,他们就低调启动了高纯度玻璃纤维的研发。

负责牵头这项工作的,是康宁公司的研发总监 —— 比尔・阿姆斯特德(Bill Armistead)。

比尔・阿姆斯特德

他找来了公司物理学家罗伯特・毛瑞尔(Robert Maurer),配给他两名新入职的年轻研究员(化学家皮特・舒尔茨、实验物理学家唐纳德・凯克),从而组建了一个 3 人研究小组。

左起:唐纳德・凯克(Donald Keck)罗伯特・毛瑞尔(Robert Maurer)皮特・舒尔茨(Pete Schultz)

作为小组组长的罗伯特・毛瑞尔,是一个颇具传奇色彩的人物。

罗伯特・毛瑞尔

他出生于 1924 年,年轻时参加过二战,获得过紫心勋章。战争结束后,他返回大学学习,拿到了麻省理工学院的低温物理学博士学位,并进入康宁公司工作(1952 年)。

值得一提的是,1956 年 12 月,他发表在《化学物理杂志》上的一篇关于“玻璃是冷冻液体”的理论论文,曾经被高锟那篇经典论文引用过,算是两人最早的交集。

3 人小组正式启动研究后,就发现自己面对的是一项巨大的挑战。

当时,纯度最高的玻璃纤维,衰减率约为 1000 dB / km。想要将这个值减小到 20 dB / km,并不是 50 倍的关系,而是惊人的 10 的 98 次方系数关系。

枣君注:dB=10*lg (A / B),表示两个数(A 和 B)的比值大小。A 是 B 的 2 倍时,是 3dB。A 是 B 的 1 万倍时,是 40dB。A 是 B 的 100 万倍时,是 60dB。

对他们来说,有两种可行的起步方案:第一,采用大量高纯度的光学玻璃。第二,熔融石英(SiO2,二氧化硅),因为石英可以做到高纯度。

第一种是比较成熟的方案,也是那时大部分同行选择的方案。但是,罗伯特・毛瑞尔独辟蹊径,选择了第二种方案。

事后他回忆道:“如果你做的事情与其他人所做的不同,你就有两个优势。一,你可能会在他们失败的地方取得成功。二,如果你失败了,会收集到他们没有收集到的信息。”

二氧化硅是一个纯度很高的材料。但是,它的熔解温度极高,需要 1650℃。一般的烤炉,根本达不到这样的温度。

经过一番调查,罗伯特・毛瑞尔找来了化学博士弗兰克・齐马(Frank Zimar)帮忙。

弗兰克・齐马曾经为康宁早期的半导体项目建造了一个烤炉,可以实现 2000°C 的高温。

在弗兰克・齐马的帮助下,1967 年,罗伯特・毛瑞尔的小组基于掺钛二氧化硅,拉出了第一根试验型单模光纤。经过测试,这根光纤的衰减仍然很高,但相比之前已有很大的改进。这增强了研究小组的信心。

后来,研究小组经过反复尝试,逐渐掌握了光纤预制棒的拉制技巧,还有烟灰沉积物处理等关键技术。他们制造的光纤,衰减率指标不断改进,逐渐逼近理论值。

3 人小组的研究进展,被康宁公司严格保密。直到 1970 年 5月11日,康宁公司基于已取得的成果,申请了两项专利。

第一个专利,是罗伯特・毛瑞尔和皮特・舒尔茨的“熔融石英光波导”,用于具有纯石英包层和掺杂石英芯的光纤。

第二个专利,是唐纳德・凯克和皮特・舒尔茨的“生产光波导纤维的方法”,涵盖了后来众所周知的内部气相沉积(IVD)工艺。

1970 年 7月22日,研究小组从 6 个不同成分的掺钛预制棒中,拉出 6 根光纤。

8月7日,他们对这些光纤进行测试。在测试一根 29 米长的光纤时,他们得到了一个惊人的衰减值结果 ——17 dB/km。这是有史以来第一次达到 20 dB / km 的论文目标。

唐纳德・凯克激动地将这个数字记录在笔记本上,还写下了“Whoopee(哈哈的意思,表示兴奋)!”的字样。

29 米的光纤长度较短,可能影响测试结果的准确性。为了更加严谨,8月21日,他们又拉出了一根 210 米的光纤,并进行测试。

当唐纳德・凯克的氦氖激光器进入光纤纤芯时,他惊讶地看到一道非常明亮的红色闪光。他意识到,这是来自光纤远端的菲涅尔反射。此时,他记录下了光纤衰减率的测试结果 ——16.9 dB/km

终于,他们可以松口气了。世界上第一根符合理论的低损耗试验性光纤,正式诞生。

研究小组和他们的光纤成品(左下角)

1970 年 9 月底,罗伯特・毛瑞尔飞往英国伦敦(London 英国首都),在英国(the United Kingdom)电气工程师协会主办的“导波干线通信”会议上,宣布了自己团队的研究成果,引起了整个行业的轰动。

后来,英国(the United Kingdom)邮局实验室和标准电信实验室专门对他们的光纤进行测试,验证了他们的成果。

康宁的光纤研制成功后,并没有马上上市商用。因为,他们的光纤使用的是掺钛纤芯,还存在一些技术缺陷。

两年之后,1972 年 6 月,康宁公司以掺锗纤芯代替掺钛纤芯,采用外部气相沉积 (OVD),制造出了一条损耗低至 4 dB/km 的多模光纤。

这根光纤,不仅衰减更低,而且实用性更强,制造过程更为简单。

正在使用 OVD 法制作掺锗光纤预制棒的皮特・舒尔茨(1972 年)

后来,因为经济衰退的原因,康宁公司的发展遇到了一些问题,影响了他们对光纤技术的商用推广。

为了筹措资金,在康宁公司董事长兼CEO(首席执行官)艾默里・霍顿(Amory Houghton)的支持下,康宁光纤业务负责人查克・露西(Chuck Lucy)与多家通信公司进行谈判,签订了联合开发协议,分摊开发成本。

这些协议,加快光纤技术的商用落地。1976 年,美国(America) AT&T 公司在亚特兰大安装了世界上第一个实验性光纤通信系统,长度约为 1.25 英里(约 2000 米)。

三年后,1979 年,日本(Japan)电报电话公司(NTT)研制出了 0.2 dB / km 的极低损耗石英光纤。这个衰减值,基本接近了散射的理论极限。

1980 年,普莱西德湖冬奥会(Olympic Winter Games)首次使用光纤电缆传输电视信号,取得了巨大成功。

再后来的故事,大家应该都比较熟悉了。

80-90 年代,光纤技术迅速崛起,成为有线通信中重要的传输介质。进入 21 世纪,光纤更是全面取代金属线缆,成为整个通信网络的骨干底座。单根光纤所能传输的数据量,早已突破了 TB / s 级别。

如今,全球光缆年需求量超过 5 亿芯公里。这些光纤,传输着海量的数据,支撑着整个社会的发展,也为人类的文明进步,做出着巨大的贡献。

本文来自微信(WeChat)公众号:鲜枣课堂 (ID:xzclasscom),作者:小枣君