低損耗光纖的誕生（一 ）| 更好的材料：熔融石英

  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(guó)郵局研究實(shí)驗(yàn)室時(shí)，英國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(wú)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(guó)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(lái)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(cè)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(zhēng)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(wú)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。”

  Maurer的策略是逆勢(shì)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(shì)。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(wú)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(lái)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(chǎng)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。