低損耗光纖的誕生（二）：17dB!內(nèi)部氣相沉積法拉制成功

  ICC訊 在“光纖通信之父”高錕(Charles Kao)發(fā)現(xiàn)了玻璃能夠應(yīng)用于通信領(lǐng)域的前景之后，玻璃科學(xué)領(lǐng)域的專家們前仆后繼，致力于將這一目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最終，康寧的一個(gè)研究小組將理念變成了現(xiàn)實(shí)。本篇是低損耗光纖的誕生第二篇，講述的是康寧科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)內(nèi)部氣相沉積法拉制。

  更好的光纖拉制方法

  1968年1月Keck正式入職后，開始和Schultz嘗試將玻璃拉制成光纖。但是，他們發(fā)現(xiàn)在加熱玻璃并將其拉制成光纖過(guò)程中，氧元素會(huì)從摻鈦的纖芯中釋放出來(lái)，形成了可吸收光的Ti3+色心。對(duì)光纖進(jìn)行熱處理能夠去除色心，但這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，而且光纖也非常易碎。

  然后他們想到了另一種方法。單模光纖不需要太多的玻璃作為纖芯，所以他們決定將摻鈦的硅粉末沉積在一根經(jīng)拋光的純硅管中來(lái)制作纖芯，然后將管熱縮成玻璃，并最終把它拉制成光纖。他們將管子安裝在Schultz實(shí)驗(yàn)室的車床上，并將火焰水解燃燒器對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)的管子。然而，當(dāng)他們點(diǎn)燃燃燒器時(shí)，所有粉末都沉積在6毫米孔的兩端，而不是沿管子均勻沉積。

  他們需要一些東西把粉末從管子中吸出來(lái)。環(huán)顧實(shí)驗(yàn)室后，他們注意到了角落里存放的一個(gè)舊真空吸塵器。二人把吸塵器連接到裝置上并再次嘗試，這一次真空吸塵器成功地把粉末吸進(jìn)了整個(gè)管子。雖然這些沉積物還不足以制造出優(yōu)質(zhì)的光纖，但最終，Keck和Schultz改進(jìn)了氣體流動(dòng)系統(tǒng)，使其能夠均勻地沉積在管內(nèi)，以便拉制出光纖。

大約在1977年，在AT&T亞特蘭大工廠的試生產(chǎn)設(shè)施中，技術(shù)員Mike Hyle從預(yù)制棒中拉制出光纖。對(duì)預(yù)制棒的頂部進(jìn)行加熱使其軟化，然后將熔融玻璃從底部拉出，在此處冷卻并纏繞到線軸上?！矩悹枌?shí)驗(yàn)室/阿爾卡特-朗訊美國(guó)公司，由AIP Emilio Segrè視覺檔案館提供，《今日物理》收藏】

  Keck把預(yù)制棒帶到Zimar的實(shí)驗(yàn)室，兩人把預(yù)制棒安裝在熔爐上，然后開始拉制光纖。Keck剪下一段新拉制的光纖，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量其光學(xué)性能。之后，他又返回去調(diào)整拉絲爐，再剪下另一段光纖進(jìn)行測(cè)量。

  從開始使用預(yù)制棒到取得最終結(jié)果，需要三個(gè)月的時(shí)間。Keck回憶道，1969年夏天，Zimar實(shí)驗(yàn)室里的熔爐還在運(yùn)轉(zhuǎn)，“實(shí)驗(yàn)室里酷熱難耐?！北M管如此，研發(fā)小組仍然在繼續(xù)工作、測(cè)量和學(xué)習(xí)。他們通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)確定纖芯中鈦的最佳濃度。將新拉制出的、各種不同尺寸的光纖繞到卷筒上之后，研究人員發(fā)現(xiàn)50μm光纖會(huì)被粘住，250μm的光纖會(huì)出現(xiàn)斷裂，因此Keck認(rèn)為125μm最為合適，直到今天這仍然是光纖的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

  1970年初，康寧認(rèn)為其光纖技術(shù)應(yīng)該申請(qǐng)專利，因此于1970年5月11日提交了兩份專利申請(qǐng)。第一份是關(guān)于Maurer和Schultz研發(fā)的“熔融石英光波導(dǎo)”，一種具有純石英包層和摻雜石英纖芯的光纖。第二份是關(guān)于Keck和Schultz提出的“生產(chǎn)光波導(dǎo)光纖的方法”，后來(lái)被稱為內(nèi)部氣相沉積(IVD)工藝。

  1970年7月22日，Keck和Zimar從六種不同成分的摻鈦預(yù)制棒中拉制出了光纖。8月7日，在對(duì)第一根光纖進(jìn)行熱處理后，Keck對(duì)一根長(zhǎng)29米、已斷裂的光纖進(jìn)行了測(cè)試。這根光纖的損耗創(chuàng)下新低，達(dá)到每公里17dB。Keck在筆記本中記錄下這一數(shù)據(jù)之后，抑制不住內(nèi)心的興奮，寫道“太棒了!”。

  考慮到長(zhǎng)度較短的光纖精確度有限，Keck在筆記本上又謹(jǐn)慎地補(bǔ)充道“必須重新測(cè)量”。然后，他走進(jìn)大廳，想要跟別人共同分享成功的喜悅，卻發(fā)現(xiàn)那里空無(wú)一人，原來(lái)已經(jīng)是星期五下午5點(diǎn)多了。就在他環(huán)顧四周時(shí)，電梯門突然打開，29歲的Keck認(rèn)出從電梯中走出的正是實(shí)驗(yàn)室主任Amistead，于是Keck迫不及待地與Amistead分享了這個(gè)好消息。

使用內(nèi)部氣相沉積法制造損耗低于20dB/公里的第一代光纖預(yù)制棒的設(shè)備。燃燒器產(chǎn)生的玻璃粉末沉積在旋轉(zhuǎn)石英玻璃管的內(nèi)表面，石英玻璃管由右上方的車床頭固定。粉末變成了光纖的纖芯，而外管則變成了包層。將粉末通過(guò)管子吸出的真空吸塵器在圖中未出現(xiàn)。【康寧版權(quán)】

  8月21日，Keck成功地對(duì)同一根光纖中210米的部分進(jìn)行了熱處理，并得到了更準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)他為測(cè)量做準(zhǔn)備時(shí)，氦氖激光進(jìn)入光纖纖芯，他驚訝地看到一道非常明亮的紅色閃光。最后，他意識(shí)到這是來(lái)自光纖遠(yuǎn)端的菲涅耳反射現(xiàn)象。他記錄下16.9dB/公里的損耗測(cè)量值，并添加了邏輯學(xué)家的結(jié)論“證明完畢(QED)”，從而驗(yàn)證之前的測(cè)量。每當(dāng)回想起往事時(shí)，他都希望自己當(dāng)時(shí)能夠再添上一句常見的科學(xué)行話“我找到了!(Eureka!)”。

  成果公開

  Keck和Maurer撰寫了一篇有關(guān)其光纖研究工作的論文，重點(diǎn)探討損耗為60-70dB/公里、長(zhǎng)數(shù)百米的早期單模光纖的彎曲和固有損耗，沒有討論有關(guān)材料和光纖加工的問題。隨后，在11月15日論文正式發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》前，他們又增加了有關(guān)損耗“約20dB/公里”的光纖的內(nèi)容。

  1970年9月底，Maurer飛往倫敦，在由英國(guó)電氣工程師學(xué)會(huì)(Institute of Electrical Engineers)主辦的“波導(dǎo)干線通信”會(huì)議上宣布了這一消息，并提到了16dB/公里這樣一個(gè)精確的衰減值。

  盡管Maurer沒有透露康寧創(chuàng)紀(jì)錄的光纖所使用的材料，但他欣然接受了英國(guó)郵局和標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室有關(guān)光纖測(cè)量的邀請(qǐng)。英國(guó)郵局是康寧的潛在客戶，雙方都擁有設(shè)施完善的實(shí)驗(yàn)室，可以獨(dú)立地驗(yàn)證光纖的低損耗。很快，Maurer帶著裝在定制容器中的珍貴光纖返回了倫敦，他甚至還專門為這些光纖在飛機(jī)上預(yù)定了一個(gè)座位。

  英國(guó)郵局實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的損耗為15dB/公里，這給研究人員留下了非常深刻的印象。但是，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試程序給Maurer帶來(lái)了很大困擾，因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中需要截取幾小段光纖。Maurer試圖找回每一段光纖，并用膠帶對(duì)它們進(jìn)行固定，但最終還是遺失了一段，搜遍地板每一個(gè)角落也沒有發(fā)現(xiàn)。

  Maurer離開后，郵局研究人員迅速停下手頭的工作，并最終找到了那段具有特殊彎曲弧度的康寧光纖。他們本來(lái)以為英國(guó)泰坦公司的中子活化分析儀可以揭示出康寧光纖的秘密成分，但分析結(jié)果顯示只有純石英。

  康寧可以說(shuō)是幸運(yùn)地躲過(guò)了一劫。因?yàn)楫?dāng)時(shí)英國(guó)泰坦主要從事鈦業(yè)務(wù)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鈦污染嚴(yán)重，所以沒能檢測(cè)出康寧光纖中隱藏的少量物質(zhì)。

  第一根低損耗光纖已經(jīng)誕生，那么它又如何走向?qū)嵱秒A段，又如何生產(chǎn)低損耗的多模光纖?

  敬請(qǐng)期待最后一期的低損耗光纖的誕生故事。

       第一期：低損耗光纖的誕生（一）| 更好的材料：熔融石英