低损耗光纤的诞生（一 ）| 更好的材料：熔融石英

  ICC讯 在“光纤通信之父”高锟(Charles Kao)发现了玻璃能够应用于通信领域的前景之后，玻璃科学领域的专家们前仆后继，致力于将这一目标变为现实。

  最终，康宁的一个研究小组将理念变成了现实。

  1966年，临近退休的物理学家William Shaver，正在世界各地为康宁寻找潜在的玻璃应用。在参观伦敦的英国邮局研究实验室时，英国邮局对高锟提出的超纯的玻璃纤维能够将信号传输到数公里以外的想法产生了浓厚的兴趣，希望能够使用玻璃纤维传输电话信号。

  而William Shaver和Robert Maurer就职的康宁玻璃公司(Corning Glass Works)，正好是一家研发玻璃产品，满足各种全新应用需求的公司。因此，双方的合作注定会结出丰硕的成果。

【康宁提供AIP Emilio Segrè视觉档案馆，Hecht收藏】

Peter Schultz(左)、Donald Keck和Robert Maurer与世界上第一根通信光缆合影。

根据与美国加利福尼亚圣迭戈海军电子司令部签署的合同，康宁研发出世界上首根通信光纤

  当时，康宁已经制造出医用和军用光纤束，但仅有几米的长度，且每米损耗就有1dB。而根据高锟提出的理论，要想将信号传输至10公里左右，光纤的损耗应控制在每公里20dB(相当于每米0.02dB)以下。为此，研究人员需要设法将每公里损耗降低980dB。如果了解dB这个单位的特性的话，就知道这个相当于1098的量级，这无疑是一项令人望而生畏的任务。研究负责人Bill Armistead对此表示出浓厚兴趣，并将这项任务分配给了Maurer领导的基础物理学研究小组。Maurer拥有美国麻省理工学院低温物理学博士学位，于1952年加入康宁，随后一直从事关于玻璃特性的基础研究，并是一名玻璃专家。

  Maurer回忆道：“当时接到任务时，我们并没有太强烈的紧迫感。”

  理论认为，玻璃是一种原子移动非常缓慢、就像被冻起来一样的液体，除了微小、随机的微观结构外，质地较为均匀。然而，许多测量结果显示，光在玻璃中散射比预期高出10到100倍。Maurer的研究表明，玻璃的光散射随角度的变化不大，这从一个侧面印证了冻液理论。Maurer的研究结果发表在1956年12月的《化学物理学杂志》上，并引起了很大争议，但事实证明这些结果是正确的，高锟在1966年发表的那篇具有里程碑意义的论文也引用了这些研究结果。

大约1934年，Frank Hyde在实验室工作的照片

【康宁提供】

  光纤通信面临着两大主要挑战：

  一是如何使玻璃变得足够纯净，使其仅能吸收或散射极少的光;

  二是如何将光引入具有高折射率纤芯和低折射率包层的光导纤维中。

  高纯度的光学玻璃和熔融石英(SiO2)是两个比较可行的切入点。熔融石英非常纯净，但必须在极高的温度下才能熔化，而且折射率非常低，因此纤芯中必须掺杂高折射率材料。

  “当时的大多数讨论都集中在如何提纯用于制造可熔性玻璃的原材料，”Maurer回忆道。光学玻璃似乎是显而易见的选择，很多种玻璃可用作纤芯和包层的材料。

  Maurer 表示：“这正是我在最开始时选用石英的原因之一。石英的性能是否会更好，我无法给出任何理由，但是在当时，除我们之外没有其他人研究石英。”

  Maurer的策略是逆势而为，他在1995年的一次采访中说道：“如果你另辟蹊径，那么你将拥有两项优势。一是你可能会在别人失败的地方获得成功，二是即使你失败了，也会收获别人无法获得的信息。”

  用熔融石英拉制光纤

1957年6月，物理系学生Lawrence Curtiss演示管中棒工艺的生产过程

【密歇根大学宾利历史图书馆提供】

  在获得用于光纤研究的少量预算后，Maurer展开了研究。经过一番调查，Maurer决定寻求Frank Zimar的帮助来制造单模光纤。

  Frank Zimar博士是研发小组中的实验化学家，于1945年加入康宁。Zimar之前曾为一个半导体项目建造了一个熔炉，这个熔炉能够在温度高于2000°C的情况下处理材料，远远高于软化熔融石英所需的1650 °C。这是研究中心在当时唯一能够达到温度要求的熔炉，而Zimar是唯一一个知道如何操作熔炉的人。

  Maurer和Zimar先将掺钛的石英加工成棒，再把掺钛的石英棒插入纯石英的孔中，然后将它放入Zimar建造的熔炉中，拉制成了第一根单模光纤。Maurer回忆道：“正如你能想象的那样，当时的场景非常可怕。”但是，这次实验表明了熔融石英可以被拉制成光纤。

  1967年，暑期实习生Clifton Fonstad负责进行散射测量，并与Zimar合作利用石英棒和石英管拉制单模和多模光纤。虽然衰减很高，但是结果比Maurer预期的更喜人。随后，Maurer说服Amistead扩展光纤研究的规模。

  第一步就是邀请Peter Schultz加入到光纤项目中。Schultz在获得美国新泽西州罗格斯大学的博士学位后，于1967年7月加入康宁，负责开发一种不透明玻璃，这种玻璃富含铁和锂，可用于制造电脑存储器。Schultz开始研究Hyde的火焰水解工作，并建造了用于制造和测试熔融石英的熔炉。

  在物理专业的就业市场炙手可热时，Maurer还开始着手招募新的博士人才。在美国密歇根州立大学，Maurer找到了对光传播非常感兴趣的Donald Keck，他承诺会为Keck提供开发光波导的机会，并成功地将Keck招进康宁。

  有了石英拉制光纤的经验，有了更强大的团队，低损耗光纤的研发是怎样取得突破的呢?

  敬请期待第二期低损耗光纤的诞生的故事。