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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。

 

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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。

 

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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)。

 

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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 )。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。

 

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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)。

 

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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)

2022-12-09 10:53

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来源:环球物理
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。

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