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(guó)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(hào)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(guó)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(guó)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?cè)斓摹?/p>

回到美國(guó)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(dòng)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(zhǎng)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(zhēng)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(dòng)研究后，就發(fā)現(xiàn)自己面對(duì)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(duì)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(shì)。一，你可能會(huì)在他們失敗的地方取得成功。二，如果你失敗了，會(huì)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(cè)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(qǐng)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(duì)這些光纖進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試一根29米長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)度較短，可能影響測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)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(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)主辦的“導(dǎo)波干線通信”會(huì)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(dòng)。

后來，英國(guó)郵局實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室專門對(duì)他們的光纖進(jìn)行測(cè)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)?，他們的光纖使用的是摻鈦纖芯，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(jiǎn)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(duì)光纖技術(shù)的商用推廣。

為了籌措資金，在康寧公司董事長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(huì)首次使用光纖電纜傳輸電視信號(hào)，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(jí)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(huì)的發(fā)展，也為人類的文明進(jìn)步，做出著巨大的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 玻璃纖維 光纖通信 光纖技術(shù)