今日熱搜:世界上第一根光纖,是誰造出來的?
1966年,就職于英國標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)有限公司的華裔科學(xué)家高錕(K.C.Kao),聯(lián)合他的同事喬治·霍克漢姆(G.A.Hockham),共同發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文。
論文標(biāo)題
(資料圖片)
在論文中,他們明確提出,只要解決了玻璃纖維的純度問題(減少雜質(zhì)),就可以減少光信號在玻璃纖維中的衰減。
當(dāng)衰減率下降到 20 db/km時(shí),這根玻璃纖維,就可以用于實(shí)用型通信。
正在做實(shí)驗(yàn)的高錕
這篇論文,后來被視為光纖通信理論的奠基之作。它開啟了光纖時(shí)代的大門,也改變了人類通信技術(shù)的走向。
現(xiàn)在我們都知道,這篇論文意義重大。但實(shí)際上,論文發(fā)布之初,并沒有獲得行業(yè)的認(rèn)可。
當(dāng)時(shí),沒有人相信高錕的結(jié)論。所有人都認(rèn)為,高錕所設(shè)想的“沒有雜質(zhì)的玻璃”,是不存在的。
為了證明自己的理論,高錕造訪了世界各地的玻璃工廠,試圖尋求合作。
但是,這些工廠都拒絕了高錕。他們不打算進(jìn)行深入研究,因?yàn)檫@種研究“無意義且耗資巨大”。
1966年的年底,事情迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。
一位名叫威廉·謝弗(William Shaver)的工程師,在英國倫敦的郵局研究實(shí)驗(yàn)室訪問,看到了實(shí)驗(yàn)室介紹的光纖通信項(xiàng)目,產(chǎn)生了濃厚的興趣。
威廉·謝弗所服務(wù)的公司,不是一家普通公司,而是美國歷史最悠久的玻璃制造企業(yè)——康寧公司(Corning Glass Works)。
康寧公司成立于1851年。
據(jù)說,愛迪生發(fā)明電燈的玻璃燈泡,就是他們造的。
回到美國后,威廉·謝弗向公司高層匯報(bào)了自己的見聞,并強(qiáng)烈建議公司進(jìn)行光纖研究。
威廉·謝弗的建議,得到了康寧公司高層的重視。很快,他們就低調(diào)啟動了高純度玻璃纖維的研發(fā)。
負(fù)責(zé)牽頭這項(xiàng)工作的,是康寧公司的研發(fā)總監(jiān)——比爾·阿姆斯特德(Bill Armistead)。
比爾·阿姆斯特德
他找來了公司物理學(xué)家羅伯特·毛瑞爾(Robert Maurer),配給他兩名新入職的年輕研究員(化學(xué)家皮特·舒爾茨、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家唐納德·凱克),從而組建了一個(gè)3人研究小組。
左起:唐納德·凱克(DonaldKeck)羅伯特·毛瑞爾(Robert Maurer)皮特·舒爾茨(PeteSchultz)
作為小組組長的羅伯特·毛瑞爾,是一個(gè)頗具傳奇色彩的人物。
羅伯特·毛瑞爾
他出生于1924年,年輕時(shí)參加過二戰(zhàn),獲得過紫心勛章。戰(zhàn)爭結(jié)束后,他返回大學(xué)學(xué)習(xí),拿到了麻省理工學(xué)院的低溫物理學(xué)博士學(xué)位,并進(jìn)入康寧公司工作(1952年)。
值得一提的是,1956年12月,他發(fā)表在《化學(xué)物理雜志》上的一篇關(guān)于“玻璃是冷凍液體”的理論論文,曾經(jīng)被高錕那篇經(jīng)典論文引用過,算是兩人最早的交集。
3人小組正式啟動研究后,就發(fā)現(xiàn)自己面對的是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
當(dāng)時(shí),純度最高的玻璃纖維,衰減率約為 1000 dB/km。想要將這個(gè)值減小到 20 dB/km,并不是50倍的關(guān)系,而是驚人的10的98次方系數(shù)關(guān)系。
棗君注:dB=10*lg(A/B),表示兩個(gè)數(shù)(A和B)的比值大小。A是B的2倍時(shí),是3dB。A是B的1萬倍時(shí),是40dB。A是B的100萬倍時(shí),是60dB。
對他們來說,有兩種可行的起步方案:第一,采用大量高純度的光學(xué)玻璃。第二,熔融石英(SiO2,二氧化硅),因?yàn)槭⒖梢宰龅礁呒兌取?/p>
第一種是比較成熟的方案,也是那時(shí)大部分同行選擇的方案。但是,羅伯特·毛瑞爾獨(dú)辟蹊徑,選擇了第二種方案。
事后他回憶道:“如果你做的事情與其他人所做的不同,你就有兩個(gè)優(yōu)勢。一,你可能會在他們失敗的地方取得成功。二,如果你失敗了,會收集到他們沒有收集到的信息?!?/p>
二氧化硅是一個(gè)純度很高的材料。但是,它的熔解溫度極高,需要1650℃。一般的烤爐,根本達(dá)不到這樣的溫度。
經(jīng)過一番調(diào)查,羅伯特·毛瑞爾找來了化學(xué)博士弗蘭克·齊馬(FrankZimar)幫忙。
弗蘭克·齊馬曾經(jīng)為康寧早期的半導(dǎo)體項(xiàng)目建造了一個(gè)烤爐,可以實(shí)現(xiàn)2000°C的高溫。
在弗蘭克·齊馬的幫助下,1967年,羅伯特·毛瑞爾的小組基于摻鈦二氧化硅,拉出了第一根試驗(yàn)型單模光纖。經(jīng)過測試,這根光纖的衰減仍然很高,但相比之前已有很大的改進(jìn)。這增強(qiáng)了研究小組的信心。后來,研究小組經(jīng)過反復(fù)嘗試,逐漸掌握了光纖預(yù)制棒的拉制技巧,還有煙灰沉積物處理等關(guān)鍵技術(shù)。他們制造的光纖,衰減率指標(biāo)不斷改進(jìn),逐漸逼近理論值。
3人小組的研究進(jìn)展,被康寧公司嚴(yán)格保密。直到1970年5月11日,康寧公司基于已取得的成果,申請了兩項(xiàng)專利。
第一個(gè)專利,是羅伯特·毛瑞爾和皮特·舒爾茨的“熔融石英光波導(dǎo)”,用于具有純石英包層和摻雜石英芯的光纖。
第二個(gè)專利,是唐納德·凱克和皮特·舒爾茨的“生產(chǎn)光波導(dǎo)纖維的方法”,涵蓋了后來眾所周知的內(nèi)部氣相沉積(IVD)工藝。
1970年7月22日,研究小組從6個(gè)不同成分的摻鈦預(yù)制棒中,拉出6根光纖。
8月7日,他們對這些光纖進(jìn)行測試。在測試一根29米長的光纖時(shí),他們得到了一個(gè)驚人的衰減值結(jié)果——17 dB/km。這是有史以來第一次達(dá)到 20 dB/km的論文目標(biāo)。
唐納德·凱克激動地將這個(gè)數(shù)字記錄在筆記本上,還寫下了“Whoopee(哈哈的意思,表示興奮)!”的字樣。
29米的光纖長度較短,可能影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了更加嚴(yán)謹(jǐn),8月21日,他們又拉出了一根210米的光纖,并進(jìn)行測試。
當(dāng)唐納德·凱克的氦氖激光器進(jìn)入光纖纖芯時(shí),他驚訝地看到一道非常明亮的紅色閃光。他意識到,這是來自光纖遠(yuǎn)端的菲涅爾反射。此時(shí),他記錄下了光纖衰減率的測試結(jié)果——16.9 dB/km。
終于,他們可以松口氣了。世界上第一根符合理論的低損耗試驗(yàn)性光纖,正式誕生。
研究小組和他們的光纖成品(左下角)
1970年9月底,羅伯特·毛瑞爾飛往倫敦,在英國電氣工程師協(xié)會主辦的“導(dǎo)波干線通信”會議上,宣布了自己團(tuán)隊(duì)的研究成果,引起了整個(gè)行業(yè)的轟動。
后來,英國郵局實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室專門對他們的光纖進(jìn)行測試,驗(yàn)證了他們的成果。
康寧的光纖研制成功后,并沒有馬上上市商用。因?yàn)椋麄兊墓饫w使用的是摻鈦纖芯,還存在一些技術(shù)缺陷。
兩年之后,1972年6月,康寧公司以摻鍺纖芯代替摻鈦纖芯,采用外部氣相沉積 (OVD),制造出了一條損耗低至 4 dB/km的多模光纖。
這根光纖,不僅衰減更低,而且實(shí)用性更強(qiáng),制造過程更為簡單。
正在使用OVD法制作摻鍺光纖預(yù)制棒的皮特·舒爾茨(1972年)
后來,因?yàn)榻?jīng)濟(jì)衰退的原因,康寧公司的發(fā)展遇到了一些問題,影響了他們對光纖技術(shù)的商用推廣。
為了籌措資金,在康寧公司董事長兼首席執(zhí)行官艾默里·霍頓(Amory Houghton)的支持下,康寧光纖業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人查克·露西(Chuck Lucy)與多家通信公司進(jìn)行談判,簽訂了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議,分?jǐn)傞_發(fā)成本。
這些協(xié)議,加快光纖技術(shù)的商用落地。1976年,美國AT&T公司在亞特蘭大安裝了世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性光纖通信系統(tǒng),長度約為1.25英里(約2000米)。
三年后,1979年,日本電報(bào)電話公司(NTT)研制出了 0.2 dB/km的極低損耗石英光纖。這個(gè)衰減值, 基本接近了散射的理論極限。
1980年,普萊西德湖冬奧會首次使用光纖電纜傳輸電視信號,取得了巨大成功。
再后來的故事,大家應(yīng)該都比較熟悉了。
80-90年代,光纖技術(shù)迅速崛起,成為有線通信中重要的傳輸介質(zhì)。進(jìn)入21世紀(jì),光纖更是全面取代金屬線纜,成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的骨干底座。單根光纖所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,早已突破了TB/s級別。
如今,全球光纜年需求量超過5億芯公里。這些光纖,傳輸著海量的數(shù)據(jù),支撐著整個(gè)社會的發(fā)展,也為人類的文明進(jìn)步,做出著巨大的貢獻(xiàn)。
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