「康宁低损耗光纤50周年」专题系列1：康宁与低损耗光纤的发明

2020-11-17 14:11

1970年，全球正处于数据和通信爆炸的边缘。

新发明的出现开始催生远距离传输数据的需求。1969年秋，美国国防部开发了阿帕网（ARPAnet），其作为互联网的先驱，首先将五角大楼和大学实验室互联了起来。Digital Equipment等公司当时正忙于制造第一台冰箱大小的微型计算机，相较于房间大小的大型机，其更小更便宜，也意味着更多公司能够通过数据来运营他们的业务。当时第一批的ATM自动取款机还很原始，为了支持机器的读取功能，纸质的指令牌上灌注有轻微的放射性元素，并且需要通过网络来发送消费者的银行信息。一年之后，一位名叫Ray Tomlinson的电脑程序员发送了世界上第一封电子邮件，并开始使用＠符号来分隔姓名和地址。

全球企业也开始有相互交流的需求，但当时铜质电话线只能承载有限通话量。声音的质量很微弱，因为线路不能携带足够的信息来重塑一个人的声音。需求大大超过了供给，以至于国际长途的价格一度高达每分钟4美元（相当于2020年的27美元）甚至更高。

以低成本进行远距离传输大量数据和对话的需求日益增长。为应对这一需求，一套或许可行的理论进入了研究人员的视野，这得益于当时在英国标准电信实验室的一名物理学家——高锟（Charles）。

“光纤”一词在20世纪60年代进入人们的视野。但最初这个词被用来形容在阴极射线管（用于看电视）、计算机电路和医疗设备中的光放大器。这项技术只在短距离光传输时有效。当距离达约20米（约 65 英尺）后，信号几乎会完全消失。

高锟是第一位预示到世界可能会以光的形式，通过光纤为媒介得以互联的人。高锟在其1966年发表的一篇开创性论文中写道，光纤在理论上可能远优于铜线或无线电信号。其中的挑战在于玻璃中含有的杂质，这也导致了被科学家称为“衰减”的信号损耗。科学家们设法找到一种“低损耗光纤”，一种可以在不明显损失光的情况下长距离传输光的玻璃。高锟假设：通过净化玻璃，细光纤束将能够以最小的信号损耗在长距离传输大量数据。

但当时还没有人知道应该如何制造这种净化的光纤。负责英国电话系统的英国驿务署找到康宁公司寻求帮助，希望寻找一款新型的大容量数据线。康宁委派物理学家Robert Maurer领导两名新入职的年轻研究员：实验物理学家Donald Keck和玻璃化学家Peter Schultz开始研究这一项目。

然而，创新之路注定避免不了无数次实验失败所带来的沮丧。期间科学家们尝试了无数的玻璃组合以及基于不同设计尺寸和生产方法的实验，以创造和净化实验所需的玻璃组份。其中面临的挑战之一就是将两种玻璃组合成单纤。在每一项测试中，技术人员需要从并排放置在熔炉里的玻璃块上拉出一根纤维，然后将这根纤维套在另一根纤维中，以此来制造单纤。

他俯身站在显微镜前，被一束明亮的光惊呆了。

后来，Keck形容说：“这是我所见过的最壮丽的情景”。

1970年8月的某个周五傍晚，Keck正准备将团队最新研发出的新型光纤样品放置到设备中进行测试。虽然迫不及待想开启周末，但Keck仍想在回家前试验一次这最新的成果。他俯身站在显微镜前，被一束明亮的光惊呆了。后来，Keck形容说：“这是我所见过的最壮丽的情景。”光的损耗以分贝为单位进行测量，而证实高锟博士理论可行的前提是，玻璃的载光能力需要表现出小于20分贝的光损耗。穿过这款新型光纤的光脉冲在16－17分贝之间。Keck说他那天仿佛在实验室里感受到了爱迪生的精神，并在笔记本中写下了“哇！”。

正如在专利申请中所描述的那样，“光波导光纤”是一种能够承载比铜线多65，000倍信息的光纤。四年之后，1970年夏天的那个“哇”时刻凭借美国第 3711，262号专利成为永恒。

康宁开始大规模生产光纤，已经是九年之后了。又过了几年，各大公司才陆续开始将其应用于海底光缆的铺设，从而连接各大洲，为人们提供了一种低成本的通信方式。然而，1970年8月的那个下午，始终标志了一场通信革命的开始，而它最终将助力重塑世界。