光纖50年：康寧與低損耗光纖的發(fā)明

  1970年，全球正處于數據和通信爆炸的邊緣。

  新發(fā)明的出現開(kāi)始催生遠距離傳輸數據的需求。1969年秋，美國國防部開(kāi)發(fā)了阿帕網(wǎng) (ARPAnet)，其作為互聯(lián)網(wǎng)的先驅?zhuān)紫葘⑽褰谴髽呛痛髮W(xué)實(shí)驗室互聯(lián)了起來(lái)。Digital Equipment等公司當時(shí)正忙于制造第一臺冰箱大小的微型計算機，相較于房間大小的大型機，其更小更便宜，也意味著(zhù)更多公司能夠通過(guò)數據來(lái)運營(yíng)他們的業(yè)務(wù)。當時(shí)第一批的ATM自動(dòng)取款機還很原始，為了支持機器的讀取功能，紙質(zhì)的指令牌上灌注有輕微的放射性元素，并且需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)發(fā)送消費者的銀行信息。一年之后，一位名叫Ray Tomlinson的電腦程序員發(fā)送了世界上第一封電子郵件，并開(kāi)始使用@符號來(lái)分隔姓名和地址。

  全球企業(yè)也開(kāi)始有相互交流的需求，但當時(shí)銅質(zhì)電話(huà)線(xiàn)只能承載有限通話(huà)量。聲音的質(zhì)量很微弱，因為線(xiàn)路不能攜帶足夠的信息來(lái)重塑一個(gè)人的聲音。需求大大超過(guò)了供給，以至于國際長(cháng)途的價(jià)格一度高達每分鐘4美元(相當于2020年的27美元)甚至更高。

  以低成本進(jìn)行遠距離傳輸大量數據和對話(huà)的需求日益增長(cháng)。為應對這一需求，一套或許可行的理論進(jìn)入了研究人員的視野，這得益于當時(shí)在英國標準電信實(shí)驗室的一名物理學(xué)家——高錕(Charles)。

  “光纖”一詞在20世紀60年代進(jìn)入人們的視野。但最初這個(gè)詞被用來(lái)形容在陰極射線(xiàn)管(用于看電視)、計算機電路和醫療設備中的光放大器。這項技術(shù)只在短距離光傳輸時(shí)有效。當距離達約20米(約 65 英尺)后，信號幾乎會(huì )完全消失。

  高錕是第一位預示到世界可能會(huì )以光的形式，通過(guò)光纖為媒介得以互聯(lián)的人。高錕在其1966年發(fā)表的一篇開(kāi)創(chuàng )性論文中寫(xiě)道，光纖在理論上可能遠優(yōu)于銅線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)電信號。其中的挑戰在于玻璃中含有的雜質(zhì)，這也導致了被科學(xué)家稱(chēng)為“衰減”的信號損耗?？茖W(xué)家們設法找到一種“低損耗光纖”，一種可以在不明顯損失光的情況下長(cháng)距離傳輸光的玻璃。高錕假設：通過(guò)凈化玻璃，細光纖束將能夠以最小的信號損耗在長(cháng)距離傳輸大量數據。

  但當時(shí)還沒(méi)有人知道應該如何制造這種凈化的光纖。負責英國電話(huà)系統的英國驛務(wù)署找到康寧公司尋求幫助，希望尋找一款新型的大容量數據線(xiàn)。康寧委派物理學(xué)家Robert Maurer領(lǐng)導兩名新入職的年輕研究員：實(shí)驗物理學(xué)家Donald Keck和玻璃化學(xué)家Peter Schultz開(kāi)始研究這一項目。

  然而，創(chuàng )新之路注定避免不了無(wú)數次實(shí)驗失敗所帶來(lái)的沮喪。期間科學(xué)家們嘗試了無(wú)數的玻璃組合以及基于不同設計尺寸和生產(chǎn)方法的實(shí)驗，以創(chuàng )造和凈化實(shí)驗所需的玻璃組份。其中面臨的挑戰之一就是將兩種玻璃組合成單纖。在每一項測試中，技術(shù)人員需要從并排放置在熔爐里的玻璃塊上拉出一根纖維，然后將這根纖維套在另一根纖維中，以此來(lái)制造單纖。

  1970年8月的某個(gè)周五傍晚，Keck正準備將團隊最新研發(fā)出的新型光纖樣品放置到設備中進(jìn)行測試。雖然迫不及待想開(kāi)啟周末，但Keck仍想在回家前試驗一次這最新的成果。他俯身站在顯微鏡前，被一束明亮的光驚呆了。后來(lái)，Keck形容說(shuō)：“這是我所見(jiàn)過(guò)的最壯麗的情景?！惫獾膿p耗以分貝為單位進(jìn)行測量，而證實(shí)高錕博士理論可行的前提是，玻璃的載光能力需要表現出小于20分貝的光損耗。穿過(guò)這款新型光纖的光脈沖在16-17分貝之間。Keck說(shuō)他那天仿佛在實(shí)驗室里感受到了愛(ài)迪生的精神，并在筆記本中寫(xiě)下了“Wow!”。

  正如在專(zhuān)利申請中所描述的那樣，“光波導光纖”是一種能夠承載比銅線(xiàn)多65,000倍信息的光纖。四年之后，1970年夏天的那個(gè)“Wow”時(shí)刻憑借美國第 3711,262號專(zhuān)利成為永恒。

  康寧開(kāi)始大規模生產(chǎn)光纖，已經(jīng)是九年之后了。又過(guò)了幾年，各大公司才陸續開(kāi)始將其應用于海底光纜的鋪設，從而連接各大洲，為人們提供了一種低成本的通信方式。然而，1970年8月的那個(gè)下午，始終標志了一場(chǎng)通信革命的開(kāi)始，而它最終將助力重塑世界。