世界上第一根光纤，是谁造出来的？

【蜂耘网  通信系统】1966年，就职于英国 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·毛瑞尔飞往伦敦，在英国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。

 

（蜂耘通信系统网  责任编辑：墨染）