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程中，氧元素會(huì)從摻鈦的纖芯中釋放出來，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。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(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)那里空無一人，原來已經(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。將粉末通過管子吸出的真空吸塵器在圖中未出現(xiàn)?！?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%ba%b7%e5%ae%81&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">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帶來了很大困擾，因?yàn)闇y(cè)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(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(jié)果顯示只有純石英。

  康寧可以說是幸運(yùn)地躲過了一劫。因?yàn)楫?dāng)時(shí)英國泰坦主要從事鈦業(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