世界上第一根光纤，是谁造出来的？

1966 年，就职于英国标准电信实验有限公司的华裔科学家高锟（K.C.Kao），联合他的同事乔治・霍克汉姆（G.A.Hockham），共同发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文。

在论文中，他们明确提出，只要解决了玻璃纤维的纯度问题（减少杂质），就可以减少光信号在玻璃纤维中的衰减。

当衰减率下降到 20 db/km 时，这根玻璃纤维，就可以用于实用型通信。

这篇论文，后来被视为光纤通信理论的奠基之作。它开启了光纤时代的大门，也改变了人类通信技术的走向。

现在我们都知道，这篇论文意义重大。但实际上，论文发布之初，并没有获得行业的认可。

当时，没有人相信高锟的结论。所有人都认为，高锟所设想的“没有杂质的玻璃”，是不存在的。

为了证明自己的理论，高锟造访了世界各地的玻璃工厂，试图寻求合作。

但是，这些工厂都拒绝了高锟。他们不打算进行深入研究，因为这种研究“无意义且耗资巨大”。

1966 年的年底，事情迎来了转机。

一位名叫威廉・谢弗（William Shaver）的工程师，在英国伦敦的邮局研究实验室访问，看到了实验室介绍的光纤通信项目，产生了浓厚的兴趣。

威廉・谢弗所服务的公司，不是一家普通公司，而是美国历史最悠久的玻璃制造企业 —— 康宁公司（Corning Glass Works）。

康宁公司成立于 1851 年。

据说，爱迪生发明电灯的玻璃灯泡，就是他们造的。

回到美国后，威廉・谢弗向公司高层汇报了自己的见闻，并强烈建议公司进行光纤研究。

威廉・谢弗的建议，得到了康宁公司高层的重视。很快，他们就低调启动了高纯度玻璃纤维的研发。

负责牵头这项工作的，是康宁公司的研发总监 —— 比尔・阿姆斯特德（Bill Armistead）。

他找来了公司物理学家罗伯特・毛瑞尔（Robert Maurer），配给他两名新入职的年轻研究员（化学家皮特・舒尔茨、实验物理学家唐纳德・凯克），从而组建了一个 3 人研究小组。

作为小组组长的罗伯特・毛瑞尔，是一个颇具传奇色彩的人物。

他出生于 1924 年，年轻时参加过二战，获得过紫心勋章。战争结束后，他返回大学学习，拿到了麻省理工学院的低温物理学博士学位，并进入康宁公司工作（1952 年）。

值得一提的是，1956 年 12 月，他发表在《化学物理杂志》上的一篇关于“玻璃是冷冻液体”的理论论文，曾经被高锟那篇经典论文引用过，算是两人最早的交集。

3 人小组正式启动研究后，就发现自己面对的是一项巨大的挑战。

当时，纯度最高的玻璃纤维，衰减率约为 1000 dB / km。想要将这个值减小到 20 dB / km，并不是 50 倍的关系，而是惊人的 10 的 98 次方系数关系。

枣君注：dB=10*lg (A / B)，表示两个数（A 和 B）的比值大小。A 是 B 的 2 倍时，是 3dB。A 是 B 的 1 万倍时，是 40dB。A 是 B 的 100 万倍时，是 60dB。

对他们来说，有两种可行的起步方案：第一，采用大量高纯度的光学玻璃。第二，熔融石英（SiO2，二氧化硅），因为石英可以做到高纯度。

第一种是比较成熟的方案，也是那时大部分同行选择的方案。但是，罗伯特・毛瑞尔独辟蹊径，选择了第二种方案。

事后他回忆道：“如果你做的事情与其他人所做的不同，你就有两个优势。一，你可能会在他们失败的地方取得成功。二，如果你失败了，会收集到他们没有收集到的信息。”

二氧化硅是一个纯度很高的材料。但是，它的熔解温度极高，需要 1650℃。一般的烤炉，根本达不到这样的温度。

经过一番调查，罗伯特・毛瑞尔找来了化学博士弗兰克・齐马（Frank Zimar）帮忙。

弗兰克・齐马曾经为康宁早期的半导体项目建造了一个烤炉，可以实现 2000°C 的高温。

在弗兰克・齐马的帮助下，1967 年，罗伯特・毛瑞尔的小组基于掺钛二氧化硅，拉出了第一根试验型单模光纤。经过测试，这根光纤的衰减仍然很高，但相比之前已有很大的改进。这增强了研究小组的信心。

后来，研究小组经过反复尝试，逐渐掌握了光纤预制棒的拉制技巧，还有烟灰沉积物处理等关键技术。他们制造的光纤，衰减率指标不断改进，逐渐逼近理论值。

3 人小组的研究进展，被康宁公司严格保密。直到 1970 年 5 月 11 日，康宁公司基于已取得的成果，申请了两项专利。

第一个专利，是罗伯特・毛瑞尔和皮特・舒尔茨的“熔融石英光波导”，用于具有纯石英包层和掺杂石英芯的光纤。

第二个专利，是唐纳德・凯克和皮特・舒尔茨的“生产光波导纤维的方法”，涵盖了后来众所周知的内部气相沉积（IVD）工艺。

1970 年 7 月 22 日，研究小组从 6 个不同成分的掺钛预制棒中，拉出 6 根光纤。

8 月 7 日，他们对这些光纤进行测试。在测试一根 29 米长的光纤时，他们得到了一个惊人的衰减值结果 ——17 dB/km。这是有史以来第一次达到 20 dB / km 的论文目标。

唐纳德・凯克激动地将这个数字记录在笔记本上，还写下了“Whoopee（哈哈的意思，表示兴奋）！”的字样。

29 米的光纤长度较短，可能影响测试结果的准确性。为了更加严谨，8 月 21 日，他们又拉出了一根 210 米的光纤，并进行测试。

当唐纳德・凯克的氦氖激光器进入光纤纤芯时，他惊讶地看到一道非常明亮的红色闪光。他意识到，这是来自光纤远端的菲涅尔反射。此时，他记录下了光纤衰减率的测试结果 ——16.9 dB/km。

终于，他们可以松口气了。世界上第一根符合理论的低损耗试验性光纤，正式诞生。

1970 年 9 月底，罗伯特・毛瑞尔飞往伦敦，在英国电气工程师协会主办的“导波干线通信”会议上，宣布了自己团队的研究成果，引起了整个行业的轰动。

后来，英国邮局实验室和标准电信实验室专门对他们的光纤进行测试，验证了他们的成果。

康宁的光纤研制成功后，并没有马上上市商用。因为，他们的光纤使用的是掺钛纤芯，还存在一些技术缺陷。

两年之后，1972 年 6 月，康宁公司以掺锗纤芯代替掺钛纤芯，采用外部气相沉积 （OVD），制造出了一条损耗低至 4 dB/km 的多模光纤。

这根光纤，不仅衰减更低，而且实用性更强，制造过程更为简单。

后来，因为经济衰退的原因，康宁公司的发展遇到了一些问题，影响了他们对光纤技术的商用推广。

为了筹措资金，在康宁公司董事长兼首席执行官艾默里・霍顿（Amory Houghton）的支持下，康宁光纤业务负责人查克・露西（Chuck Lucy）与多家通信公司进行谈判，签订了联合开发协议，分摊开发成本。

这些协议，加快光纤技术的商用落地。1976 年，美国 AT&T 公司在亚特兰大安装了世界上第一个实验性光纤通信系统，长度约为 1.25 英里（约 2000 米）。

三年后，1979 年，日本电报电话公司（NTT）研制出了 0.2 dB / km 的极低损耗石英光纤。这个衰减值，基本接近了散射的理论极限。

1980 年，普莱西德湖冬奥会首次使用光纤电缆传输电视信号，取得了巨大成功。

再后来的故事，大家应该都比较熟悉了。

80-90 年代，光纤技术迅速崛起，成为有线通信中重要的传输介质。进入 21 世纪，光纤更是全面取代金属线缆，成为整个通信网络的骨干底座。单根光纤所能传输的数据量，早已突破了 TB / s 级别。

如今，全球光缆年需求量超过 5 亿芯公里。这些光纤，传输着海量的数据，支撑着整个社会的发展，也为人类的文明进步，做出着巨大的贡献。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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