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)了玻璃能夠應用于通信領域的前景之后，玻璃科學領域的專家們前仆后繼，致力于將這一目標變?yōu)楝F(xiàn)實。最終，康寧的一個研究小組將理念變成了現(xiàn)實。本篇是低損耗光纖的誕生第二篇，講述的是康寧科學家成功實現(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程中，氧元素會從摻鈦的纖芯中釋放出來，形成了可吸收光的Ti3+色心。對光纖進行熱處理能夠去除色心，但這個過程非常耗時，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實驗室的車床上，并將火焰水解燃燒器對準旋轉(zhuǎn)的管子。然而，當他們點燃燃燒器時，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。環(huán)顧實驗室后，他們注意到了角落里存放的一個舊真空吸塵器。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了整個管子。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改進了氣體流動系統(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)設施中，技術員Mike Hyle從預制棒中拉制出光纖。對預制棒的頂部進行加熱使其軟化，然后將熔融玻璃從底部拉出，在此處冷卻并纏繞到線軸上?！矩悹枌嶒炇?阿爾卡特-朗訊美國公司，由AIP Emilio Segrè視覺檔案館提供，《今日物理》收藏】

  Keck把預制棒帶到Zimar的實驗室，兩人把預制棒安裝在熔爐上，然后開始拉制光纖。Keck剪下一段新拉制的光纖，帶回實驗室測量其光學性能。之后，他又返回去調(diào)整拉絲爐，再剪下另一段光纖進行測量。

  從開始使用預制棒到取得最終結果，需要三個月的時間。Keck回憶道，1969年夏天，Zimar實驗室里的熔爐還在運轉(zhuǎn)，“實驗室里酷熱難耐?！北M管如此，研發(fā)小組仍然在繼續(xù)工作、測量和學習。他們通過數(shù)據(jù)分析來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光纖會被粘住，250μm的光纖會出現(xiàn)斷裂，因此Keck認為125μm最為合適，直到今天這仍然是光纖的一個標準尺寸。

  1970年初，康寧認為其光纖技術應該申請專利，因此于1970年5月11日提交了兩份專利申請。第一份是關于Maurer和Schultz研發(fā)的“熔融石英光波導”，一種具有純石英包層和摻雜石英纖芯的光纖。第二份是關于Keck和Schultz提出的“生產(chǎn)光波導光纖的方法”，后來被稱為內(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制棒中拉制出了光纖。8月7日，在對第一根光纖進行熱處理后，Keck對一根長29米、已斷裂的光纖進行了測試。這根光纖的損耗創(chuàng)下新低，達到每公里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!”。

  考慮到長度較短的光纖精確度有限，Keck在筆記本上又謹慎地補充道“必須重新測量”。然后，他走進大廳，想要跟別人共同分享成功的喜悅，卻發(fā)現(xiàn)那里空無一人，原來已經(jīng)是星期五下午5點多了。就在他環(huán)顧四周時，電梯門突然打開，29歲的Keck認出從電梯中走出的正是實驗室主任Amistead，于是Keck迫不及待地與Amistead分享了這個好消息。

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制棒的設備。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。將粉末通過管子吸出的真空吸塵器在圖中未出現(xiàn)。【康寧版權】

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

  成果公開

  Keck和Maurer撰寫了一篇有關其光纖研究工作的論文，重點探討損耗為60-70dB/公里、長數(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《應用物理快報》前，他們又增加了有關損耗“約20dB/公里”的光纖的內(nèi)容。

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

  盡管Maurer沒有透露康寧創(chuàng)紀錄的光纖所使用的材料，但他欣然接受了英國郵局和標準電信實驗室有關光纖測量的邀請。英國郵局是康寧的潛在客戶，雙方都擁有設施完善的實驗室，可以獨立地驗證光纖的低損耗。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上預定了一個座位。

  英國郵局實驗室測得的損耗為15dB/公里，這給研究人員留下了非常深刻的印象。但是，實驗室的測試程序給Maurer帶來了很大困擾，因為測試過程中需要截取幾小段光纖。Maurer試圖找回每一段光纖，并用膠帶對它們進行固定，但最終還是遺失了一段，搜遍地板每一個角落也沒有發(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。他們本來以為英國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，但分析結果顯示只有純石英。

  康寧可以說是幸運地躲過了一劫。因為當時英國泰坦主要從事鈦業(yè)務，實驗室內(nèi)鈦污染嚴重，所以沒能檢測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