ICC訊 在“光纖通信之父”高錕(Charles Kao)發(fā)現(xiàn)了玻璃能夠應(yīng)用于通信領(lǐng)域的前景之后,玻璃科學(xué)領(lǐng)域的專家們前仆后繼,致力于將這一目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
最終,康寧的一個(gè)研究小組將理念變成了現(xiàn)實(shí)。
1966年,臨近退休的物理學(xué)家William Shaver,正在世界各地為康寧尋找潛在的玻璃應(yīng)用。在參觀倫敦的英國郵局研究實(shí)驗(yàn)室時(shí),英國郵局對(duì)高錕提出的超純的玻璃纖維能夠?qū)⑿盘?hào)傳輸?shù)綌?shù)公里以外的想法產(chǎn)生了濃厚的興趣,希望能夠使用玻璃纖維傳輸電話信號(hào)。
而William Shaver和Robert Maurer就職的康寧玻璃公司(Corning Glass Works),正好是一家研發(fā)玻璃產(chǎn)品,滿足各種全新應(yīng)用需求的公司。因此,雙方的合作注定會(huì)結(jié)出豐碩的成果。
【康寧提供AIP Emilio Segrè視覺檔案館,Hecht收藏】
Peter Schultz(左)、Donald Keck和Robert Maurer與世界上第一根通信光纜合影。
根據(jù)與美國加利福尼亞圣迭戈海軍電子司令部簽署的合同,康寧研發(fā)出世界上首根通信光纖
當(dāng)時(shí),康寧已經(jīng)制造出醫(yī)用和軍用光纖束,但僅有幾米的長度,且每米損耗就有1dB。而根據(jù)高錕提出的理論,要想將信號(hào)傳輸至10公里左右,光纖的損耗應(yīng)控制在每公里20dB(相當(dāng)于每米0.02dB)以下。為此,研究人員需要設(shè)法將每公里損耗降低980dB。如果了解dB這個(gè)單位的特性的話,就知道這個(gè)相當(dāng)于1098的量級(jí),這無疑是一項(xiàng)令人望而生畏的任務(wù)。研究負(fù)責(zé)人Bill Armistead對(duì)此表示出濃厚興趣,并將這項(xiàng)任務(wù)分配給了Maurer領(lǐng)導(dǎo)的基礎(chǔ)物理學(xué)研究小組。Maurer擁有美國麻省理工學(xué)院低溫物理學(xué)博士學(xué)位,于1952年加入康寧,隨后一直從事關(guān)于玻璃特性的基礎(chǔ)研究,并是一名玻璃專家。
Maurer回憶道:“當(dāng)時(shí)接到任務(wù)時(shí),我們并沒有太強(qiáng)烈的緊迫感。”
理論認(rèn)為,玻璃是一種原子移動(dòng)非常緩慢、就像被凍起來一樣的液體,除了微小、隨機(jī)的微觀結(jié)構(gòu)外,質(zhì)地較為均勻。然而,許多測量結(jié)果顯示,光在玻璃中散射比預(yù)期高出10到100倍。Maurer的研究表明,玻璃的光散射隨角度的變化不大,這從一個(gè)側(cè)面印證了凍液理論。Maurer的研究結(jié)果發(fā)表在1956年12月的《化學(xué)物理學(xué)雜志》上,并引起了很大爭議,但事實(shí)證明這些結(jié)果是正確的,高錕在1966年發(fā)表的那篇具有里程碑意義的論文也引用了這些研究結(jié)果。
大約1934年,F(xiàn)rank Hyde在實(shí)驗(yàn)室工作的照片
【康寧提供】
光纖通信面臨著兩大主要挑戰(zhàn):
一是如何使玻璃變得足夠純凈,使其僅能吸收或散射極少的光;
二是如何將光引入具有高折射率纖芯和低折射率包層的光導(dǎo)纖維中。
高純度的光學(xué)玻璃和熔融石英(SiO2)是兩個(gè)比較可行的切入點(diǎn)。熔融石英非常純凈,但必須在極高的溫度下才能熔化,而且折射率非常低,因此纖芯中必須摻雜高折射率材料。
“當(dāng)時(shí)的大多數(shù)討論都集中在如何提純用于制造可熔性玻璃的原材料,”Maurer回憶道。光學(xué)玻璃似乎是顯而易見的選擇,很多種玻璃可用作纖芯和包層的材料。
Maurer 表示:“這正是我在最開始時(shí)選用石英的原因之一。石英的性能是否會(huì)更好,我無法給出任何理由,但是在當(dāng)時(shí),除我們之外沒有其他人研究石英?!?/strong>
Maurer的策略是逆勢而為,他在1995年的一次采訪中說道:“如果你另辟蹊徑,那么你將擁有兩項(xiàng)優(yōu)勢。一是你可能會(huì)在別人失敗的地方獲得成功,二是即使你失敗了,也會(huì)收獲別人無法獲得的信息?!?
用熔融石英拉制光纖
1957年6月,物理系學(xué)生Lawrence Curtiss演示管中棒工藝的生產(chǎn)過程
【密歇根大學(xué)賓利歷史圖書館提供】
在獲得用于光纖研究的少量預(yù)算后,Maurer展開了研究。經(jīng)過一番調(diào)查,Maurer決定尋求Frank Zimar的幫助來制造單模光纖。
Frank Zimar博士是研發(fā)小組中的實(shí)驗(yàn)化學(xué)家,于1945年加入康寧。Zimar之前曾為一個(gè)半導(dǎo)體項(xiàng)目建造了一個(gè)熔爐,這個(gè)熔爐能夠在溫度高于2000°C的情況下處理材料,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軟化熔融石英所需的1650 °C。這是研究中心在當(dāng)時(shí)唯一能夠達(dá)到溫度要求的熔爐,而Zimar是唯一一個(gè)知道如何操作熔爐的人。
Maurer和Zimar先將摻鈦的石英加工成棒,再把摻鈦的石英棒插入純石英的孔中,然后將它放入Zimar建造的熔爐中,拉制成了第一根單模光纖。Maurer回憶道:“正如你能想象的那樣,當(dāng)時(shí)的場景非??膳隆!?/strong>但是,這次實(shí)驗(yàn)表明了熔融石英可以被拉制成光纖。
1967年,暑期實(shí)習(xí)生Clifton Fonstad負(fù)責(zé)進(jìn)行散射測量,并與Zimar合作利用石英棒和石英管拉制單模和多模光纖。雖然衰減很高,但是結(jié)果比Maurer預(yù)期的更喜人。隨后,Maurer說服Amistead擴(kuò)展光纖研究的規(guī)模。
第一步就是邀請(qǐng)Peter Schultz加入到光纖項(xiàng)目中。Schultz在獲得美國新澤西州羅格斯大學(xué)的博士學(xué)位后,于1967年7月加入康寧,負(fù)責(zé)開發(fā)一種不透明玻璃,這種玻璃富含鐵和鋰,可用于制造電腦存儲(chǔ)器。Schultz開始研究Hyde的火焰水解工作,并建造了用于制造和測試熔融石英的熔爐。
在物理專業(yè)的就業(yè)市場炙手可熱時(shí),Maurer還開始著手招募新的博士人才。在美國密歇根州立大學(xué),Maurer找到了對(duì)光傳播非常感興趣的Donald Keck,他承諾會(huì)為Keck提供開發(fā)光波導(dǎo)的機(jī)會(huì),并成功地將Keck招進(jìn)康寧。
有了石英拉制光纖的經(jīng)驗(yàn),有了更強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì),低損耗光纖的研發(fā)是怎樣取得突破的呢?
敬請(qǐng)期待第二期低損耗光纖的誕生的故事。
新聞來源:康寧光通信
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