光纖的由來

咸彤

1966年，就職于英國標準電信實驗有限公司的華裔科學家高錕，聯合他的同事喬治·霍克漢姆，共同發表了一篇題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文。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），就可以減少光信號在玻璃纖維中的衰減。當衰減率下降到20 db/km時，這根玻璃纖維，就可以用于實用型通信。這篇論文，后來被視為光纖通信理論的奠基之作。它開啟了光纖時代的大門，也改變了人類通信技術的走向。

現在我們都知道，這篇論文意義重大。但實際上，論文發布之初，并沒有獲得行業的認可。當時，沒有人相信高錕的結論。所有人都認為，高錕所設想的“沒有雜質的玻璃”，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。他們不打算進行深入研究，因為這種研究“無意義且耗資巨大”。

1966年的年底，事情迎來了轉機。一位名叫威廉·謝弗的工程師，在英國倫敦的郵局研究實驗室訪問，看到了實驗室介紹的光纖通信項目，產生了濃厚的興趣。威廉·謝弗所服務的公司，不是一家普通公司，而是美國歷史最悠久的玻璃制造企業———康寧公司。據說，愛迪生發明電燈的玻璃燈泡，就是他們造的。

回到美國后，威廉·謝弗向公司高層匯報了自己的見聞，并強烈建議公司進行光纖研究。威廉·謝弗的建議，得到了康寧公司高層的重視。很快，他們就低調啟動了高純度玻璃纖維的研發。負責牽頭這項工作的，是康寧公司的研發總監———比爾·阿姆斯特德。他找來了公司物理學家羅伯特·毛瑞爾，配給他2名新入職的年輕研究員（化學家皮特·舒爾茨和實驗物理學家唐納德·凱克），從而組建了一個3人研究小組。作為小組組長的羅伯特·毛瑞爾，是一個頗具傳奇色彩的人物。他出生于1924年，年輕時參加過二戰，獲得過紫心勛章。戰爭結束后，他返回大學學習，拿到了麻省理工學院的低溫物理學博士學位，并進入康寧公司工作。

值得一提的是，1956年12月，他發表在《化學物理雜志》上的一篇關于“玻璃是冷凍液體”的理論論文，曾經被高錕那篇經典論文引用過，算是2人最早的交集。3人小組正式啟動研究后，就發現自己面對的是一項巨大的挑戰。當時，純度最高的玻璃纖維，衰減率約為1 000 dB/km。想要將這個值減小到20 dB/km，并不是50倍的關系，而是驚人的10的98次方系數關系。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玻璃。第二，熔融石英（SiO2，二氧化硅），因為石英可以做到高純度。第一種是比較成熟的方案，也是那時大部分同行選擇的方案。但是，羅伯特·毛瑞爾獨辟蹊徑，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2個優勢。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>

二氧化硅是一個純度很高的材料。但是，它的熔解溫度極高，需要1 650℃。一般的烤爐，根本達不到這樣的溫度。

經過一番調查，羅伯特·毛瑞爾找來了化學博士弗蘭克·齊馬幫忙。弗蘭克·齊馬曾經為康寧早期的半導體項目建造了一個烤爐，可以實現2 000℃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，拉出了第一根試驗型單模光纖。經過測試，這根光纖的衰減仍然很高，但相比之前已有很大的改進。這增強了研究小組的信心。后來，研究小組經過反復嘗試，逐漸掌握了光纖預制棒的拉制技巧，還有煙灰沉積物處理等關鍵技術。他們制造的光纖，衰減率指標不斷改進，逐漸逼近理論值，3人小組的研究進展，被康寧公司嚴格保密。直到1970年5月11日，康寧公司基于已取得的成果，申請了兩項專利。

第一個專利，是羅伯特·毛瑞爾和皮特·舒爾茨的“熔融石英光波導”，用于具有純石英包層和摻雜石英芯的光纖。

第二個專利，是唐納德·凱克和皮特·舒爾茨的“生產光波導纖維的方法”，涵蓋了后來眾所周知的內部氣相沉積（IVD）工藝。

1970年7月22日，研究小組從6個不同成分的摻鈦預制棒中，拉出6根光纖。

8月7日，他們對這些光纖進行測試。在測試一根29 m長的光纖時，他們得到了一個驚人的衰減值結果———17 dB/km。這是有史以來第一次達到20 dB/km的論文目標。

唐納德·凱克激動地將這個數字記錄在筆記本上，還寫下了“Whoopee?。ü囊馑?，表示興奮）”的字樣。

29 m的光纖長度較短，可能影響測試結果的準確性。為了更加嚴謹，8月21日，他們又拉出了一根210 m的光纖，并進行測試。當唐納德·凱克的氦氖激光器進入光纖纖芯時，他驚訝地看到一道非常明亮的紅色閃光。他意識到，這是來自光纖遠端的菲涅爾反射。此時，他記錄下了光纖衰減率的測試結果———16.9 dB/km，他們終于可以松口氣了，世界上第一根符合理論的低損耗試驗性光纖，正式誕生。

1970年9月底，羅伯特·毛瑞爾飛往倫敦，在英國電氣工程師協會主辦的“導波干線通信”會議上，宣布了自己團隊的研究成果，引起了整個行業的轟動。后來，英國郵局實驗室和標準電信實驗室專門對他們的光纖進行測試，驗證了他們的成果。

康寧的光纖研制成功后，并沒有馬上上市商用，因為，他們的光纖使用的是摻鈦纖芯，還存在一些技術缺陷。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，而且實用性更強，制造過程更為簡單。

后來，因為經濟衰退的原因，康寧公司的發展遇到了一些問題，影響了他們對光纖技術的商用推廣。為了籌措資金，在康寧公司董事長兼首席執行官艾默里·霍頓的支持下，康寧光纖業務負責人查克·露西與多家通信公司進行談判，簽訂了聯合開發協議，分攤開發成本。

這些協議，加快光纖技術的商用落地。1976年，美國AT&T公司在亞特蘭大安裝了世界上第一個實驗性光纖通信系統，長度約為2 000 m。

1979年，日本電報電話公司（NTT）研制出了0.2 dB/km的極低損耗石英光纖。這個衰減值，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，大家應該都比較熟悉了。

80—90年代，光纖技術迅速崛起，成為有線通信中重要的傳輸介質。進入21世紀，光纖更是全面取代金屬線纜，成為整個通信網絡的骨干底座。單根光纖能傳輸的數據量，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，傳輸著海量的數據，支撐著整個社會的發展，也為人類的文明進步，做出著巨大貢獻。