低损耗光纤的突破诞生

一旦高锟确定了玻璃在通信方面的前景，玻璃科学的专家们就承担起了将这一前景变为现实的任务。康宁(Corning)的一个小团队通过逆向操作获得了成功。
      1966年， Robert Maurer还不太了解通信。当时，William Maurer在参观位于伦敦的英国邮局研究实验室(British Post Office Research Laboratory)时，开始谈论他的一个想法。邮局想让电话信号通过玻璃纤维传输，而Maurer和Maurer在康宁玻璃公司工作，这是一家专门发明新用途玻璃的公司。这将是一个多产的组合。
       作为一名物理学家，他曾参与过从Pyrex炊具到Palomar望远镜200英寸镜面的铸造等项目。在英国民用和军用电信的前沿，邮局实验室对高锟的想法很感兴趣，他认为超透明玻璃纤维可以传输信号到许多公里外(见OPN, 2019年3月，高锟非凡的光纤视觉)。
       康宁公司已经生产了医用和军用光纤束，但光路不超过几米，每米损耗1dB。高锟的计划需要每公里损失20分贝的光纤来传输大约10公里的信号。这将需要减少980分贝/公里的损失。研究主任Bill Armistead喜欢这个想法，把它分配给了Maurer领导的基础物理研究小组。“当时并没有太大的紧迫感，” Maurer回忆道。
      1952年，Maurer加入康宁公司，获得美国麻省理工学院低温物理学博士学位，并通过对玻璃性质的基础研究成为玻璃专家。理论认为玻璃是一种原子冻结在任意位置的液体，除了微小、随机的微观结构外，其他原子是均匀的。然而，许多测量显示散射比预期的多10到100倍。Maurer的研究表明，光散射随角度变化不大，这支持了冻液理论。他在1956年12月的《化学物理杂志》上发表的研究结果最初引起了争议，但最终证明是正确的。
寻找最纯净的玻璃
       光纤通信的两个主要挑战是使玻璃变得纯净，以至于吸收或散射非常少的光，并将其引入具有高折射率纤芯和低折射率包层的导光纤维。有两个可能的出发点:需要广泛净化的高度发展的光学玻璃或熔融二氧化硅(SiO2)，它非常纯净，但必须在非常高的温度下熔化，而且折射率非常低，因此纤芯必须与高折射率材料熔融。
    “大多数讨论都是关于如何净化用于制造可熔性玻璃的原材料，”Maurer回忆说。光学玻璃开始似乎是显而易见的选择，大量的玻璃成分可用作芯和包层，就像熔化它的烤炉一样。“这是我开始使用二氧化硅的原因之一，”Maurer说。“我没有理由认为它更好，但没有其他人在研究它。他的策略是故意唱反调。“如果你做的事情和别人不一样，你就有两个优势。一是你可能在他们失败的地方获得成功，当然，即使你失败了，你也会收集他们没有收集到的信息，”他在1995年的一次采访中说。
       康宁公司还开发了熔融石英，利用其低热膨胀的优势。上世纪30年代初，该公司曾使用硼硅酸盐玻璃(Pyrex)铸造200英寸的Palomar镜。纯二氧化硅的热膨胀率甚至更低，但直到一位年轻的化学家J. Franklin Hyde将液态四氯化硅喷入氢氧火焰中，产生一种粉状的白色“烟灰”，这种“烟灰”就是纯二氧化硅。纯度来自于原料对四氯化硅的反应，在58°C蒸发留下所有的杂质。这项发明来得太迟，不能用于望远镜。但是当康宁公司在20世纪50年代需要一种高温陶瓷时，它将Hyde的熔融二氧化硅与二氧化钛混合，用于制作陶瓷康宁炊具、间谍卫星镜和导弹鼻锥。
一个缓慢的开始
        Maurer也花时间研究了同样的材料光纤，这项工作开始时进展缓慢。经过一番调查，他决定在Frank Zimar的帮助下制造单模光纤。Zimar是研发小组的实验化学家，1945年加入康宁公司。Zimar之前为一个半导体项目建造了一个熔炉，可以处理温度超过2000°C的材料，远远高于软化熔融石英所需的1650°C。这是研究中心里唯一能达到温度的炉子，而Zimar是唯一知道如何操作它的人。
       Maurer和Zimar用掺钛的二氧化硅加工了一根杆，将其插入纯二氧化硅加工的孔中，并将其放入Zimar的熔炉中，从而制成了他们的第一根单模光纤。“正如你所能想象的那样，这太可怕了，”Maurer回忆道。但它表明熔融石英可以被拉入光纤。
       1967年，一位名叫Clifton Fonstad的暑期实习生进行了散射测量，并与Zimar合作从硅棒和硅管中提取单模和多模光纤。衰减率很高，但结果比Maurer预期的更令人鼓舞。他说服Amistead将硅纤维的研究扩展到他和Zimar的一个副业项目之外。
       第一步是把Peter Schultz10%的时间分配给光纤项目。1967年7月，Schultz从美国新泽西州罗格斯大学获得博士学位后加入康宁公司，负责开发一种不透明玻璃，这种玻璃富含铁和锂，可用于电脑内存。Schultz开始研究Hyde的火焰水解工作，并建造了一个熔炉来制造和测试熔融石英。
       Maurer还去招募新博士，当时物理专业的就业市场非常火爆。在美国密歇根州立大学，他找到了Donald Keck，后者对波的传播很感兴趣，于是他带着开发光波导的机会来到康宁公司。
更好的制造光纤的方法 
      在Keck于1968年1月到达之后，他和Schultz尝试着将玻璃拉成管状光纤，但是他们发现加热玻璃并将其拉成光纤可以将氧从掺钛的核心中释放出来，形成了吸收光的Ti3+色心。热处理的光纤除去了颜色中心，但需要时间并且产生的光纤易碎。
      然后他们想到了另一种选择。单模光纤不需要太多的玻璃作为芯，所以他们决定将掺钛的硅灰沉积在一根经火抛光的纯硅管中来制作芯，然后将管折叠起来，把它拉进一根光纤中。他们将试管安装在Schultz实验室的车床上，并将火焰水解燃烧器对准旋转试管。然而，当他们点燃燃烧器时，所有的烟灰都落在近6毫米的孔内，而不是沿管道均匀沉积。
      这两个人需要什么东西把烟灰从管子里吸出来——当他们环视实验室时，他们看到一个角落里有一个旧的吸尘器。当他们把管子接上再试一次时，真空吸尘器把烟灰吸进了整个管子。这些沉积物不足以制造出好的光纤，但最终Keck 和 Schultz改进了气体流动系统，使其能够均匀地分散开来，从而可以拉出光纤。
      Keck把每一块预成型材料都拉到Zimar的实验室，两人把它安装在炉子上，开始拉丝。然后Keck剪下一段新拉出的光纤，带回实验室测量其光学性能——之后他又回去调整拉丝炉，剪下另一段光纤，进行更多的测量。后来Keck 和 Schultz一起查看了结果，而Maurer则为这个部门制定了计划和战略。
      从新的预演开始到最终结果可能需要三个月的时间。Keck回忆说，1969年夏天，当Zimar的实验室里的炉子还在运转时，“比地狱还热。然而，这个团队一直在工作、测量和学习。他们通过分析数据来确定光纤芯中钛的最佳浓度。不同大小的滚动制造的新的光纤显示了不同的结果，50μm光纤被卡了、250 µm光纤破了，所以Keck决定125µm是合适的，直到今天这仍然是一个标准尺寸。
      康宁对外界只字未提，并通过撰写和实施专利以及保持其他技术的专有权来保持其在玻璃技术方面的优势。到1970年初，康宁公司认为其光纤技术值得申请专利，并于1970年5月11日提交了两份申请。第一个是由Maurer和Schultz设计的“熔融石英光学波导”，用于一种具有纯石英包层和掺杂石英芯的光纤。第二种是由Keck 和 Schultz提出的“生产光波导光纤的方法”，后来被称为内气相沉积(IVD)工艺。
“Whoopee!”
       Keck和Zimar在1970年7月22日从六种不同成分的掺钛预型中提取了光纤。8月7日，第一根光纤经过热处理后，Keck测试了一根断裂的29米长的光纤。它的损耗是迄今最低的为17分贝/公里。
       短光纤的长度限制了精度，所以Keck小心地补充说，“必须重新测量。”然后他走进大厅，想找个人分享他的成功，却发现大厅里空无一人，因为已经是周五下午5点多了。他环顾四周，一扇电梯门打开了，29岁的Keck认出了实验室主任Armistead，把这个消息告诉了他。
       8月21日，Keck成功地从同一光纤中热处理了210米，得到了更准确的结果。当他为测量做准备时，氦氖激光进入光纤核心，他惊讶地看到一道非常亮的红色闪光。最后，他意识到这是光纤远端的菲涅耳反射。他记录了16.9 dB/km的损耗测量，并添加了逻辑学家的结论“QED”来验证之前的测量。他仍然希望他曾想过要加上一句恰如其分的科学“Eureka!”
用于实际的光纤
       第一个低损耗光纤是一个辉煌的成功，作为一个原则的证明。但进一步的实验未能制造出足以使用的掺钛光纤，问题在于钛本身。将二氧化钛(TiO2)加热到高温，使其失去氧气，变成TiO，改变其价态，使其吸收光纤传输带中的光。在氧中热处理的掺钛纤维将TiO2转化为TiO。然而，在高温下，氧也会与硅包层相互作用，产生方晶石晶体，从而削弱光纤。氢氟酸可以腐蚀方晶石，但它是一种令人讨厌的东西。
       Zimar的老板John Frazer力劝Schultz另找一种在生产中不那么麻烦的掺杂剂。锗看起来很有前途，因为锗(GeO2)是一种玻璃形成化合物，可以很好地与硅混合，但它在用于IVD的火焰水解过程的高温下会蒸发。
       与此同时，一个单独的问题出现了。贝尔实验室已经将其光通信计划转移到多模渐变光纤上。在20世纪70年代早期，贝尔公司对光纤的主要兴趣是每根光纤传输几十个数字化的电话通话，每根光纤之间的距离约为10公里，它认为LED光源和多模光纤就足够了。将光耦合到单模光纤的几微米芯中是一个主要问题，贝尔的计划是将光从特殊的led进行匹配耦合到50µm纤芯的渐变型光纤中。
       康宁早在贝尔低损耗突破之前就知道贝尔对多模光纤的兴趣。事实上，该公司从采用IVD工艺制成的预成型材料中提取出了多模掺钛光纤，同时还生产出了创纪录的单模光纤。为了生产掺杂锗的光纤，再加上需要生产更多芯材的光纤，导致了一种新的火焰水解过程——外部气相沉积(OVD)，来满足这些需求。在第一根低损耗光纤问世50年后，海底光缆现在可以通过一根光纤每秒传输24兆比特，传输距离超过1万公里。
       OVD不是在管道内沉积少量的核心材料，而是在旋转陶瓷“诱饵杆”的外面一次一层地沉积烟灰，从纤芯的中心开始向外工作。被氧化的化学物质的混合物可以在层与层之间改变，从而在中心产生一个渐变的折射率，在包层产生一个恒定的、较低的折射率。然后取出陶瓷棒，在氦气中加热至1350°C，将烟灰熔化成固体玻璃预制体。最后对层状预制体进行加热，将其引入具有渐变特性的光纤中，例如渐变光纤中的折射率。温度足够低，不会导致锗蒸发，所以可以用它来生产掺锗的光纤，避免了研究小组在钛上遇到的问题。
       研发OVD花了几个月的时间，直到1972年6月初，该小组生产出第一个多模预制体，其核心掺杂了9%的锗，并通过提取光纤进行测试。Schultz在OPN网站上写道：“当我们还能看到拉丝炉的亮光透过一公里长的光纤末端照射在卷筒上时，我们立刻就知道我们的方向是正确的。” Keck说：“那是一个令人震惊的时刻。他、Schultz和Zimar看着这一切，心想：“天哪，我们成功了。”
飓风，然后胜利 
       新突破一周后，灾难来袭。艾格尼丝飓风从大西洋向西横扫纽约州西部。虽然它在经过康宁地区时风力低于飓风强度，但风暴给该地区带来了高达20英寸的洪水。康宁研究中心安全地坐落在一座小山上，但康宁市被洪水淹没，公司倒闭，员工花了数周时间帮助居民。
       令Schultz印象深刻的是，公司高层认可了他的成就，并意识到“这件事是严肃的”。当泥浆和杂物都清理干净后，光纤研究小组回到了他们的实验室。仔细的测量表明，在800到850纳米之间，掺锗光纤的损耗最小为4 dB/km。他们发现，在700到1100纳米之间，羟基吸收造成了大部分的损失。Keck、Maurer和Schultz在一篇题为“关于玻璃光波导衰减的极限下限”的论文中写道，减少这种吸收可以将总衰减降低到2 dB/km。
    “在我看来，这是光纤的突破，因为它现在是一种实用的光纤，” Schultz回忆说。“它没有坏，你不必经历所有这些东西。你可以用这些漂亮的低损耗直接制造光纤。这是Maurer逆向投资策略的技术胜利。他选择了不同于其他人的东西，因为他想赢，而不是平局。他充分利用康宁公司在玻璃科学方面的实力和在熔融石英方面的经验，并组建了一支强大的天才团队来实现这一目标。
      不过，后来的航行并不顺利。20世纪70年代初的经济衰退对康宁公司造成了沉重打击。管理康宁公司捆绑光纤业务的Chuck Lucy周游世界，敲定了几项联合开发协议。这些协议帮助通信公司了解光纤，就像康宁公司了解通信一样，并带来了至关重要的资金。康宁董事长兼首席执行官Amory Houghton在艰难时期支持光纤项目，使其得以发展。
几十年的发展
      光纤技术发展迅速。它开始于700到1100纳米的窗口，因为那里是GaAs发光二极管和激光器的工作波段。较长的红外窗口迅速打开，新的光源出现。1978年，日本电报电话公司报告称，在1550纳米处，光纤损耗为0.2 dB/km，接近理论极限。 40多年后的今天，掺锗光纤仍然是行业标准，其覆盖范围达数十亿公里。大量生产的单模光纤的损耗现在只有0.17 dB/km—几乎都是由于在基本极限处的散射造成的。随着激光发射机、光放大器、波分多路复用和相干传输技术的发展，带宽出现了爆炸性增长。在第一根低损耗光纤问世50年后，海底光缆现在可以通过一根光纤每秒传输24兆比特，传输距离超过1万公里。这是过去半个世纪最惊人的科技成就之一。

图1大约1934年，弗兰克·海德在他的实验室工作。

图2 用于制造第一代亚20分贝/公里光纤内部气相沉积预成型的设备。燃烧器产生玻璃烟灰，沉积在旋转石英玻璃管的内表面，管由右上方的车床头控制。烟灰变成了纤芯，管变成了包层。真空吸尘器，通过管道拉烟灰没有显示。