光纖通信徹底改變了人們的生活方式，但它的發(fā)展并非坦途無(wú)阻，早期人們一度認(rèn)為光纖通信是不可能的。在少數(shù)人的堅(jiān)持下，并恰逢醫(yī)療和激光發(fā)展，看起來(lái)似乎互不相關(guān)的因素結(jié)合在一起，才使光纖行業(yè)獲得了發(fā)展機(jī)遇。而在具體技術(shù)上，理解玻璃中雜質(zhì)和缺陷的作用是其成功的關(guān)鍵之一。

撰文 | 彼得·湯森（Peter Townsend）

翻譯 | 趙倩

在過(guò)去 70 年中，英國(guó)最大的土方工程項(xiàng)目不是修建通往法國(guó)的英吉利海峽隧道，而是在全國(guó)街道上鋪設(shè)光纖。光纖通信已經(jīng)徹底改變了我們的生活與休閑方式，它并沒(méi)有提高電視節(jié)目的質(zhì)量，但它確實(shí)帶來(lái)了一場(chǎng)生活方式的革命。這些設(shè)想背后的科學(xué)理論早已確立，盡管許多領(lǐng)先的通信行業(yè)曾普遍認(rèn)為用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程通信是不現(xiàn)實(shí)的，但如今這些設(shè)想都已變成了現(xiàn)實(shí)。

能否克服技術(shù)上的困難，這在很大程度上取決于我們?nèi)绾卫斫獠Ａе须s質(zhì)和缺陷的作用，以及如何設(shè)計(jì)光源和探測(cè)器，從而使光信號(hào)攜帶信息。人們之所以認(rèn)為光纖無(wú)法應(yīng)用于通信，其原因主要與光纖的歷史背景和科學(xué)有關(guān)，同時(shí)我也必須強(qiáng)調(diào)，光纖通信之所以能夠成功，是因?yàn)闃O少數(shù)人的專注研究，再加上恰逢醫(yī)療和激光發(fā)展的好時(shí)機(jī)。這些看上去互不相關(guān)的因素結(jié)合在一起，才使光纖行業(yè)獲得了發(fā)展的機(jī)遇。我非常欣賞杰夫·赫克特（Jeff Hecht）1999 年出版的《光之城》（City of Light）一書(shū)中有關(guān)科學(xué)進(jìn)步與相關(guān)人物魅力的精彩評(píng)論。

發(fā)送遠(yuǎn)距離光信號(hào)并非創(chuàng)新想法。在過(guò)去幾千年的歷史中，許多國(guó)家都曾使用過(guò)這種方法。入侵英國(guó)的羅馬人會(huì)在鋪設(shè)道路時(shí)點(diǎn)燃烽火，在遠(yuǎn)處就能看到要在哪里修建一條筆直的道路。后來(lái)的英國(guó)人似乎忽視了這種特殊的信息傳輸技能，直到一千年后才在鐵路和高速公路建設(shè)中再次運(yùn)用。在古代中國(guó)和羅馬，以及后來(lái)的文明中，人們都會(huì)點(diǎn)燃高處的烽火來(lái)發(fā)送入侵者攻擊的信號(hào)。

通過(guò)控制煙霧噴射量來(lái)傳遞信號(hào)，以及通過(guò)日光反射信號(hào)器反射太陽(yáng)光來(lái)傳遞信號(hào)，都可以將信息發(fā)送出去。在梵蒂岡的選舉中，仍會(huì)用彩色煙霧來(lái)傳遞選舉的進(jìn)展情況。光信號(hào)傳輸方法能夠傳遞更大量的信息，它通過(guò)間斷的脈沖進(jìn)行編碼，這正是現(xiàn)代二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳輸方法，數(shù)字信號(hào)只有 0和 1 兩種。它是現(xiàn)代光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。雖然概念可能是相同的，但使用日光反射信號(hào)器時(shí)，脈沖頻率為每分鐘幾次，使用光纖時(shí)，脈沖頻率提高至每秒 10 億次以上。對(duì)光纖進(jìn)行的部分改進(jìn)在于，可以用多種不同顏色的光發(fā)送信號(hào)，波長(zhǎng)選擇性編碼意味著在一根光纖上可以有 100 個(gè)不同顏色編碼的通道。

通過(guò)日光反射信號(hào)器反射太陽(yáng)光可以在數(shù)英里內(nèi)被別人看到，但它們有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是依賴直線視野（而且只能在天氣晴朗的白天進(jìn)行）。為了對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并使光學(xué)傳輸達(dá)到通過(guò)電線傳輸電信號(hào)的便利性，需要三個(gè)基本組件。一是定向強(qiáng)脈沖光源，二是引導(dǎo)光線繞過(guò)拐角的系統(tǒng)，三是靈敏的探測(cè)器。光纖兩端都需要用信號(hào)處理設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行編碼和解碼。這些都是巨大的挑戰(zhàn)，只有具備上述所有條件，從信號(hào)編碼到解碼的速度才能提高。

圖1 光可以在一塊玻璃或光纖內(nèi)彈跳。如果與光的波長(zhǎng)相比，光纖的纖芯較大，則有多個(gè)可行的彈跳角度，稱為模，寫(xiě)為 m=0、m=1、m=2 等。此處為了顯示效果而夸大了角度。對(duì)于通信光纖，高折射率纖芯往往非常小，因此實(shí)際上光只能以一種模式沿光纖直線傳播。

裸露的光纖表面會(huì)出現(xiàn)污垢和劃痕等問(wèn)題，因此解決辦法是使用折射率較低的另一種玻璃包裹。這在光纖系統(tǒng)中非常重要。聽(tīng)起來(lái)似乎只是一個(gè)平平無(wú)奇的想法，學(xué)校里的理科學(xué)生都可以在沒(méi)讀過(guò)現(xiàn)代文獻(xiàn)的情況下想出這個(gè)解決辦法。但事實(shí)上，即使是頂尖科學(xué)家也有不完美之處，他們并未及早發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，也沒(méi)有想到加保護(hù)性玻璃覆層這一簡(jiǎn)單的解決方案，這不僅阻礙了光纖的發(fā)展，還意味著一些主要的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室放棄了這項(xiàng)研究。

醫(yī)學(xué)需要促進(jìn)玻璃纖維制造

我們現(xiàn)在制造的光纖長(zhǎng)達(dá)幾十千米或幾百千米，但僅僅在 50 年前，我們還只能制造長(zhǎng)度為幾米的光纖。從技術(shù)上講，即使是中等長(zhǎng)度的光纖，其制造難度也很大。如果那些又短又薄且具有柔韌性的玻璃棒毫無(wú)用武之地，人們對(duì)光纖系統(tǒng)的熱情很快就會(huì)消失殆盡。幸運(yùn)的是，醫(yī)學(xué)界在這方面給予了巨大的鼓勵(lì)，因?yàn)獒t(yī)生不僅希望檢查患者身體表層的狀況，也希望檢查其內(nèi)部器官。在醫(yī)生首次嘗試窺視臟器（如胃）內(nèi)部時(shí)，采用的是類(lèi)似于吞劍的方式，通過(guò)口腔將一根管子和光源插入患者體內(nèi)。使用直徑較大的硬管來(lái)獲取內(nèi)部圖像，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，許多患者在這個(gè)過(guò)程中受傷或死亡。因此死亡的病患比吞劍者還要多。令人驚訝的是，醫(yī)生們一直沒(méi)有放棄，因?yàn)樵谀莻€(gè)年代，即使這種方法存在明顯的醫(yī)療問(wèn)題，醫(yī)生們也找不出其他外科方法幫助他們進(jìn)行診斷。

人們需要一種直徑小且能彎曲的內(nèi)窺鏡，許多研究者投入相關(guān)研究，試圖攻克這個(gè)難題，既嘗試用更加柔韌的管子和一系列透鏡來(lái)傳輸圖像，也使用玻璃纖維束。加上這些器材以后，透鏡系統(tǒng)變得非常笨重，且直徑大得驚人。在一根管子中使用直徑半英寸（1 英寸 =2.54 厘米）的玻璃透鏡系統(tǒng)來(lái)檢查前列腺問(wèn)題，這光景聽(tīng)起來(lái)比病情更糟糕。玻璃纖維束更加柔韌，直徑稍小。如果纖維可以光學(xué)分離，那么每根纖維只從一個(gè)觀察點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。比如說(shuō)，50 根纖維可以提供 50 個(gè)點(diǎn)的圖像，與現(xiàn)代幾百萬(wàn)像素的相機(jī)相比，這樣的成像效果極其糟糕，但它的確在硬管和透鏡方面做出了改進(jìn)。

先驅(qū)們意識(shí)到，他們不僅需要非常透明的玻璃來(lái)傳輸光，還需要添加包層材料，將光限制在纖維內(nèi)，并且避免玻璃纖維/玻璃棒相互碰觸時(shí)出現(xiàn)光泄漏。如果人們用手觸摸過(guò)玻璃，光損耗會(huì)非常嚴(yán)重，因?yàn)槭种干系挠椭瑫?huì)導(dǎo)致玻璃表面發(fā)生散射。最初，人們發(fā)現(xiàn)，在玻璃表面涂一層金屬似乎是一個(gè)限制光線的好方法，但隨著光線多次彈跳，即使從胃部反射回玻璃棒中，大部分光線也會(huì)損耗，金屬鏡面在每次反射時(shí)都會(huì)損耗 15%的信號(hào)。對(duì)只有 10 次反射的短纖維來(lái)說(shuō)，光的強(qiáng)度會(huì)降低 80% 以上（只剩下 20%）。

后來(lái)人們開(kāi)始嘗試使用塑料外層而不是金屬鏡面。這些塑料涂層比金屬的吸收率低，但其結(jié)合的牢固度較低，且一些廢棄物會(huì)滯留在玻璃與塑料的交界面上，導(dǎo)致信號(hào)大量散射和損失。第一次真正的成功是使用非常干凈且經(jīng)過(guò)打磨和火焰拋光的玻璃棒。將其插入同樣干凈且經(jīng)過(guò)打磨的低折射率玻璃管中。對(duì)這一套裝置進(jìn)行加熱、軟化，然后將其拉成一根玻璃棒，最后得到一段半柔性的“纖維”，它可以將光線限制在玻璃內(nèi)芯中。將許多光纖的一端對(duì)齊，固定成一個(gè)光纖束，以此來(lái)傳輸圖像信息。這些設(shè)備非常受歡迎，因此形成了一個(gè)巨大的醫(yī)療市場(chǎng)，使人們對(duì)光纖的熱情始終不減。

醫(yī)學(xué)界和公眾所使用的語(yǔ)言并非全然相同。使用光纖來(lái)檢查身體內(nèi)部不需要手術(shù)，因此這個(gè)過(guò)程被委婉地描述為“非侵入式”。但經(jīng)歷過(guò)這種檢查的朋友則用截然不同的詞（這里不便引用）來(lái)描述。非侵入式檢查也經(jīng)常會(huì)引發(fā)感染，這可能是因?yàn)槔w維系統(tǒng)很難進(jìn)行徹底消毒。

巧妙的制造方法

最初嘗試以纖維的形式制造可控超薄玻璃絲，可能是因?yàn)?19 世紀(jì)需要用非常薄的玻璃纖維來(lái)制造電氣測(cè)量?jī)x器的扭絲。其中一種儀器是非常靈敏的鏡式電流計(jì)，用來(lái)測(cè)量微小的電流。安裝在系統(tǒng)上的反射鏡可以使光束偏轉(zhuǎn)，從而使線圈通電后引發(fā)的扭轉(zhuǎn)變得更加明顯。一種可以用于懸掛反光鏡的“線”是玻璃纖維。盡管熟練的玻璃工匠可以制造長(zhǎng)度短、直徑大的玻璃纖維，但直徑會(huì)隨長(zhǎng)度而變化，而且這種方法不易重復(fù)。真正的技術(shù)進(jìn)步出現(xiàn)在 1887 年，當(dāng)時(shí)查爾斯·弗農(nóng)·博伊斯（Charles Vernon Boys）設(shè)計(jì)了一把微型弓弩，將一根加熱的玻璃棒放在弩上。發(fā)射這支玻璃弓箭，形成了一條細(xì)長(zhǎng)的熔融玻璃，冷卻成為均勻而堅(jiān)固的玻璃纖維。從機(jī)械上來(lái)說(shuō)，這種玻璃纖維比相同直徑的鋼更加堅(jiān)固。它比手工拉制的玻璃纖維更細(xì)、更透明，即使長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)米以上，直徑也幾乎不變。這支弓弩的射程只有幾十米，但它使人們意識(shí)到了玻璃纖維的一些性質(zhì)，并對(duì)其加以測(cè)量。光纖因此得以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

靈敏的鏡式電流計(jì)是跨大西洋海底電纜系統(tǒng)的重要組成部分，用于檢測(cè)摩爾斯電碼信號(hào)的電脈沖。現(xiàn)在我們已經(jīng)看到，衍生技術(shù)完全掩蓋并取代了原來(lái)的系統(tǒng)。

更長(zhǎng)的光纖

到了 20 世紀(jì) 60 年代，內(nèi)窺鏡檢查的主要難題是對(duì)光纖包層，從而防止傳輸信號(hào)丟失。后來(lái)人們逐漸認(rèn)識(shí)到，可以制造一種精密控制的光纖，纖芯具有較高的折射率，用來(lái)傳輸光線，同時(shí)外部包層的折射率低于纖芯的折射率。包層使光纖更堅(jiān)固，防止表面與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，更重要的是，當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光不會(huì)逃逸。

使用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)目赡苄匀匀辉獾酱蠖鄶?shù)美國(guó)大公司的完全否定。部分原因在于現(xiàn)有的光纖性能太差，但與此同時(shí)，這些公司正致力于信號(hào)塔之間的微波和無(wú)線電鏈路。他們認(rèn)為可以在鋪設(shè)于地下的金屬管道內(nèi)建造微波系統(tǒng)。由于戰(zhàn)時(shí)需要以及軍方對(duì)雷達(dá)的興趣，人們對(duì)微波已有充分的了解，并建造了微波源和探測(cè)器。微波本身的問(wèn)題是：（1）金屬波導(dǎo)會(huì)造成極高的損耗，因此信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減；（2）信號(hào)不能在急轉(zhuǎn)彎處彎曲。為了解決這些問(wèn)題，人們需要在許多階段進(jìn)行檢測(cè)，放大信號(hào)或采用其他方式，每隔幾百米對(duì)信號(hào)進(jìn)行重復(fù)和增強(qiáng)。微波波導(dǎo)對(duì)失真、熱效應(yīng)和天氣條件也很敏感，這些因素會(huì)影響傳輸微波信號(hào)的管道內(nèi)的空氣（和水蒸氣）。從現(xiàn)在的角度來(lái)看，我們可能會(huì)感到奇怪，這種方法有這么多明顯的問(wèn)題，為何當(dāng)時(shí)的人們依然對(duì)它熱情高昂，堅(jiān)定不移，并投入大量資金。

早期光纖中的光損耗與散射

最初幾乎沒(méi)有科學(xué)家認(rèn)真研究與光纖相關(guān)的問(wèn)題，更不可能相信光纖可以遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)。最顯著的問(wèn)題是，那個(gè)時(shí)期的玻璃纖維會(huì)非常迅速地降低信號(hào)強(qiáng)度，而且當(dāng)時(shí)人們也不清楚如何制作長(zhǎng)纖維并將它們連接在一起。人們認(rèn)為，接頭的制作極其困難。的確如此，現(xiàn)代光纖的直徑幾乎與人的發(fā)絲直徑不相上下，傳輸信號(hào)的纖芯只有發(fā)絲直徑的十分之一。電話工程師有時(shí)需在惡劣的天氣下在室外進(jìn)行維修，要精準(zhǔn)對(duì)齊這樣的兩塊玻璃纖芯，并且誤差要低于 1%，似乎是不可能的。如今，這項(xiàng)任務(wù)依然不容易，只不過(guò)有了更加可靠和常規(guī)的方法。

引導(dǎo)光通過(guò)光纖，這個(gè)想法很簡(jiǎn)單，但在 1960 年，在人們能夠制造出的第一類(lèi)光纖中，光的吸收和散射會(huì)造成非常嚴(yán)重的損耗。即使使用質(zhì)量最好的玻璃材料，每一米纖維都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低 50%。對(duì)實(shí)驗(yàn)室演示來(lái)說(shuō)，這是一種進(jìn)步，但即使使用 10 米光纖在房間內(nèi)進(jìn)行通信，從光纖中射出的光也比輸入光弱 1000 倍。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有能夠制造數(shù)千米光纖的技術(shù)，但這無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)楣庠诓Ａе写罅繐p耗，根本無(wú)法傳輸信號(hào)?？偟膩?lái)說(shuō)，人們需要一種光吸收能力是窗玻璃的 100 萬(wàn)分之一的材料。

通過(guò)窗玻璃也能看到光損耗現(xiàn)象，從玻璃較薄的方向（厚度為幾毫米）進(jìn)行觀察，我們可能會(huì)認(rèn)為，出現(xiàn)損耗僅僅是因?yàn)榛覊m和表面反射。玻璃的折射率為 1.5，可見(jiàn)光在玻璃與空氣界面的反射損失約為 4%（因此，在沒(méi)有光吸收的情況下，約 92% 的可見(jiàn)光可以透過(guò)玻璃）。如前文所述，如果我們從邊緣觀察一片窗玻璃，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的透明度明顯降低，且略微呈現(xiàn)出綠色（因?yàn)椴Ａе泻需F雜質(zhì)）。反射損失并未增加，但即使玻璃的長(zhǎng)度只有十幾厘米，我們也能看到光吸收效應(yīng)。對(duì)于信號(hào)傳輸所需的數(shù)千米光纖，這意味著信號(hào)會(huì)遭到破壞。

比窗玻璃（由多種金屬氧化物組成的硅酸鹽）更透明的材料是純二氧化硅（SiO2）。但人們最初拒絕用它制作任何纖維材料，因?yàn)樗m然是可用的最透明的材料，折射率卻非常低（約為 1.46）。人們尚未想到如何將它制作成纖芯，因?yàn)樗枰粋€(gè)折射率更低的玻璃包層。此外，許多實(shí)驗(yàn)主義者面臨的一個(gè)限制是，要將一塊接近熔化的硅棒拉成硅纖維，需要非常高的溫度。二氧化硅的熔點(diǎn)是 1713 攝氏度左右。1960 年，能夠?qū)崿F(xiàn)這種溫度的熔爐和坩堝材料較為罕見(jiàn)，相對(duì)簡(jiǎn)單的加熱方法是使用氫氧焊炬。

不幸的是，當(dāng)時(shí)的玻璃行業(yè)尚不了解限制玻璃傳輸?shù)囊蛩赜心男驗(yàn)槿藗儾](méi)有解決這個(gè)問(wèn)題的需要。人們認(rèn)為玻璃會(huì)吸收一定的光，這是因?yàn)橹圃觳ＡУ纳匙又写嬖陔s質(zhì)，例如鐵或其他金屬，這一點(diǎn)沒(méi)錯(cuò)。然而，二氧化硅等材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，它只有一種簡(jiǎn)單的組成成分，即二氧化硅。這意味著它的成分或密度不太可能發(fā)生顯著的變化，也就是說(shuō)，不會(huì)出現(xiàn)散射位點(diǎn)。

散射與光的波長(zhǎng)有關(guān)，這一點(diǎn)非常直觀。在光學(xué)上，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此波長(zhǎng)為 400 納米（即 400×10-9 米）的藍(lán)光的散射強(qiáng)度是紅光（波長(zhǎng) 700 納米）的 9.4 倍。藍(lán)光和紅光在散射強(qiáng)度上的差異符合我們所熟悉的日?，F(xiàn)象，也解釋了為什么天空是藍(lán)色的。直射的陽(yáng)光混合了太陽(yáng)發(fā)出的所有輻射波，朝太陽(yáng)的方向望去，可以看到強(qiáng)烈的、沒(méi)有散射的黃光和紅光。但從其他方向看到的光都已經(jīng)過(guò)多次散射。由于波長(zhǎng)較短的藍(lán)光散射強(qiáng)度大于紅光，因此天空的其余部分都是藍(lán)色。

在長(zhǎng)波光（波長(zhǎng)大于能透過(guò)二氧化硅的波長(zhǎng)）下，二氧化硅是透明的，散射程度較低，這也促進(jìn)了對(duì)重金屬氟化物玻璃的研究。人們投入大量精力來(lái)制造各種名為 ZBLAN 的材料。ZBLAN 玻璃是鋯、鋇、鑭、鋁和鈉等氟化物組成的復(fù)雜混合物。雖然它們對(duì)長(zhǎng)波光的吸收確實(shí)比二氧化硅好，但由于密度/成分不均勻而導(dǎo)致光散射，從而造成嚴(yán)重的損耗。對(duì)這種復(fù)雜材料進(jìn)行研究，目的不是在接近 1.5 微米的波長(zhǎng)下操作，而是移動(dòng)到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)下進(jìn)行操作，例如 10 微米，這將使原本的散射損耗降低約 250 倍。事實(shí)上，ZBLAN 的成分變化很大，而且易碎，所以我們一直使用二氧化硅。

利用雜質(zhì)取得進(jìn)步

當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)與我們現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)截然不同，并且在 20 世紀(jì) 60 年代，人們關(guān)注的是如何制造和使用最透明的材料。為了減少光的吸收，必然需要清除金屬和水等雜質(zhì)。備選的最佳透明材料是二氧化硅，但正如前文所說(shuō)，它的熔點(diǎn)極高，且折射率低于所有玻璃。解決這個(gè)問(wèn)題的重點(diǎn)是去除所有雜質(zhì)，然后再考慮后續(xù)的熔化和包層問(wèn)題。這是一種明智的方法，因?yàn)樗梢宰屛覀兛吹讲牧贤该鞫鹊奶岣?。更重要的是，即使成功的可能性有限，它也有可能吸引一定水平的研究資金和支持。與以往一樣，雜質(zhì)有兩種形式，有利的雜質(zhì)與有害的雜質(zhì)。這些有害雜質(zhì)會(huì)吸收光，但如果只關(guān)注它們，就會(huì)忽視其他雜質(zhì)的好處。

玻璃制造商在硅酸鹽玻璃中摻雜大量其他氧化物（如硼、鈉、鈣等，以降低熔點(diǎn)或充當(dāng)穩(wěn)定劑以制造非脆性玻璃）或鉛（以提高折射率）。這些都是眾所周知的事實(shí)，因此對(duì)二氧化硅纖維也可以采用類(lèi)似的方法。令人驚訝的是，人們并沒(méi)有立即接受這一點(diǎn)。并非所有標(biāo)準(zhǔn)的玻璃摻雜劑都能與光纖用途兼容。例如，對(duì)于現(xiàn)代光纖所傳送的紅外線（波長(zhǎng) 1.54 微米），硼會(huì)產(chǎn)生光吸收，但它適用于早期所傳輸?shù)募t色激光信號(hào)（波長(zhǎng)接近 800 納米，即 0.8 微米）。

由于數(shù)值范圍非常大，圖2顯示了光纖中衰減損耗的模式。最低損耗值出現(xiàn)在波長(zhǎng)接近 1.5 微米的位置，此時(shí)曲線出現(xiàn)最低波谷。早期的光纖只傳輸波長(zhǎng)接近 1.3 微米的光，這受限于當(dāng)時(shí)的光源和探測(cè)器選擇，這個(gè)波段的光損耗也出現(xiàn)了一個(gè)波谷?，F(xiàn)代材料比這里使用的示例更加透明。兩個(gè)波谷之間出現(xiàn)吸收波峰，源于纖維中殘余水的作用。圖上的曲線變化很明顯，但我們需要記住，影響因素是雜質(zhì)（比如水），它可能只占玻璃的百萬(wàn)分之幾。即使在損耗最大的波長(zhǎng)下，它仍然是一種非常透明的玻璃，但我們要研究每千米的損失，而不僅僅是窗玻璃的厚度。

圖2 光纖中衰減損耗的模式

二氧化硅中的硅可以用其他四價(jià)元素替代，例如鈦或鍺。較重的原子帶有更多電子，這些電子會(huì)與光產(chǎn)生更多相互作用，從而使光的傳播速度變慢，并提高折射率。一家美國(guó)公司早期生產(chǎn)的玻璃纖維中包含了一些鈦，以提高玻璃的折射率。然而，用鍺離子代替部分硅離子，尺寸更合適，離子鍵更匹配。鍺也提高了折射率。因此，以鍺硅酸鹽玻璃作為纖芯，以純二氧化硅作為包層，這樣的光纖能夠滿足高折射率纖芯與低折射率包層的需要。我們認(rèn)為鍺是一種有益的摻雜劑，而非有害的雜質(zhì)。

同樣，熔點(diǎn)問(wèn)題可以通過(guò)添加低熔點(diǎn)材料來(lái)解決。這些材料的化學(xué)性質(zhì)可能與四價(jià)硅不同，因此未必能完全滿足所有化學(xué)鍵。如果使用三價(jià)鋁，則有必要再添加其他材料進(jìn)行補(bǔ)償，比如磷等五價(jià)材料，從而糾正材料中的電子態(tài)（也就是說(shuō)，5 和 3 的平均值為 4，這與硅原子的共價(jià)鍵相匹配）。如果結(jié)合過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致玻璃變色與光吸收。其中的具體細(xì)節(jié)可能有所不同，但這個(gè)例子說(shuō)明了降低鍺硅酸鹽玻璃熔點(diǎn)的原理。

去除導(dǎo)致光吸收的水與金屬雜質(zhì)至關(guān)重要。我們需要認(rèn)識(shí)到的關(guān)鍵事實(shí)是，只要不影響在應(yīng)用中所需要的玻璃性質(zhì)，就可以添加大量雜質(zhì)。如今光纖中的“有害”雜質(zhì)已被降至十億分之一，這是宣傳炒作和營(yíng)銷(xiāo)中所用的數(shù)字。對(duì)于為提高折射率而加入的大量鍺或?yàn)檎{(diào)節(jié)熔化溫度而加入的鈉、鋁或氟等只字不提。如果光纖中有光放大器和激光器，還需添加其他雜質(zhì)（比如鉺）。

雖然前沿科學(xué)可以描述長(zhǎng)距離透明光纖的結(jié)構(gòu)，但在限制與困難方面的細(xì)節(jié)和要求也在迅速升級(jí)。例如，纖芯和包層的折射率非常相近，例如 1.48（纖芯）和 1.46（包層）。較大的纖芯更容易導(dǎo)致信號(hào)激光耦合，但直徑越大，產(chǎn)生的光學(xué)模式就越多，從而產(chǎn)生不同的傳輸速度，因?yàn)楣獾膹椞鴷?huì)增加路徑長(zhǎng)度并降低信號(hào)速度。對(duì)于脈沖編碼信號(hào)，較大的纖芯直徑會(huì)限制可用的脈沖速率。因此，解決方案的目標(biāo)是縮小纖芯和使折射率在邊界處呈階梯變化。

光纖科學(xué)中的缺陷小結(jié)

對(duì)缺陷的作用進(jìn)行總結(jié)，我們可以發(fā)現(xiàn)，在光纖材料的發(fā)展過(guò)程中，需要將玻璃的透明度提高至少 100 萬(wàn)倍。從很大程度上來(lái)說(shuō)，這意味著要清除玻璃中的許多金屬和水蒸氣，這些金屬和水蒸氣都會(huì)吸收被傳輸?shù)墓?，并造成光的衰減。同時(shí)，添加其他雜質(zhì)（有用的雜質(zhì)，即摻雜劑）可以控制折射率、熔點(diǎn)和拉伸溫度，也有助于形成抗拉強(qiáng)度大的玻璃。

許多知名人士和實(shí)業(yè)家未能理解光纖通信的潛力，對(duì)超前的技術(shù)和已牢固確立的技術(shù)存在嚴(yán)重偏見(jiàn)，資金不足，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)破產(chǎn)和極具破壞性的專利訴訟（參見(jiàn)杰夫·赫克特的《光之城》一書(shū)），上述這些都導(dǎo)致了一系列完全不同的社會(huì)缺陷。盡管我從事的是學(xué)術(shù)研究，但深入了解企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、蓄意打壓競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、偏見(jiàn)和明顯缺乏智慧的決策，也給予我極大的啟發(fā)。這些問(wèn)題當(dāng)然也存在于學(xué)術(shù)界，但在平常的文獻(xiàn)或科研教學(xué)中很少提及。對(duì)此我能得出的最積極的結(jié)論是，如果有足夠多的人具有遠(yuǎn)見(jiàn)、魅力、銷(xiāo)售技巧，并且勤奮工作，雖然需要付出巨大的努力，但終究會(huì)取得進(jìn)步。

為了證明如何從缺陷中獲益，我會(huì)引用一個(gè)最近發(fā)生的光纖傳輸?shù)睦?。?dāng)被掩埋的光纜發(fā)生變形時(shí)，例如由于重型車(chē)輛通過(guò)，地震、滑坡或地面撞擊所造成的地面震顫，微小的光纖也會(huì)發(fā)生彎曲，致使光線向光源的方向折回，從而導(dǎo)致部分信號(hào)損失。顯然，這個(gè)缺陷會(huì)干擾光通信。

然而，由于對(duì)通信容量的需求不斷提高，光纖經(jīng)常被淘汰和替換。但被淘汰的光纖系統(tǒng)仍會(huì)被保留。人們意識(shí)到，這些信號(hào)反射可以用來(lái)定位地殼活動(dòng)。例如，一名地質(zhì)學(xué)研究生塞萊斯特·拉貝茲（Celeste Labedz）發(fā)現(xiàn)了阿拉斯加光纖中的“噪聲”，由此檢測(cè)到一些冰川地震。拉貝茲并不是在阿拉斯加裝設(shè)一個(gè)局部的地震傳感器，而是利用光纖增設(shè)了多個(gè)傳感器。此外，人們還利用光纖繪制海底斷層帶和地震圖，收集有關(guān)大地震和火山爆發(fā)的預(yù)測(cè)信息。

作者簡(jiǎn)介

彼得·湯森（Peter Townsend），蘇塞克斯大學(xué)物理學(xué)榮譽(yù)教授。他曾在9個(gè)國(guó)家工作，橫跨學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，涉及專業(yè)領(lǐng)域包括固體物理缺陷、離子注入、發(fā)光、玻璃、光電子學(xué)、癌癥檢測(cè)等。他發(fā)表了550多篇研究文章和8本書(shū)，并擁有馬德里自治大學(xué)和保加利亞科學(xué)院的榮譽(yù)博士學(xué)位。

本文經(jīng)授權(quán)摘自《缺陷之美 : 自然、科技與生存之鑰》（中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2024年5月版）第七章《光纖通信》，有刪改。