康宁发明低损耗光纤的故事

光纤在线编辑部  2020-03-22 19:44:07  文章来源:翻译整理  版权所有,未经许可严禁转载.

导读:50年前,康宁发明了低损耗光纤,开创了光纤通信的时代。3月号的OSA Optics&Photonics杂志刊载了美国作家Jeff Hecht关于当年康宁发明光纤的故事,简单整理出来,以纪念这个了不起的科技进步。

3/22/2020,光纤在线讯,3/22/2020, 50年前,康宁发明了低损耗光纤,开创了光纤通信的时代。3月号的OSA Optics&Photonics杂志刊载了美国作家Jeff Hecht关于当年康宁发明光纤的故事,简单整理出来,以纪念这个了不起的科技进步。

在高锟先生那篇划时代的论文发表后,年近退休的康宁公司科学家William Shaver在去英国邮电研究所出差的时候了解到这一技术概念。他在康宁从事过Pyrex玻璃餐具研发,也从事过Palomar 望远镜 200英寸镜面等的研究,一直在琢磨为康宁找到玻璃应用的新方向。当时康宁已经有损耗大约每米几个dB医疗和军用光纤产品,但是通信光纤需要的是20dB/Km,这里面有巨大的差距。得到这一新的研究设想后,康宁的研发总监 Bill Armistead把这个任务交给Robert Maurer的基础物理研究小组。Maurer 1952年加入康宁,他毕业于 MIT,是一位低温物理方面的博士,公认的玻璃专家,在关于玻璃本质的研究上有很深造诣。

当时,光纤研制有两个出发点:第一,现有光学玻璃再提纯化;第二,采用具有高熔点,低折射率特性超纯的熔融石英(Silica),再通过掺杂形成高折射率纤芯。可以制作玻璃的原材料有许多种,最自然的出发点自然是对现有的玻璃进行提纯。Maurer却选择了从石英出发,但是他当时并不知道这一定会成功。他只是想走一条与众不同的路。

Maurer这样做也有历史原因。康宁从1930年带开始开发高硼硅玻璃,并将其用于Pryex餐具玻璃等产品内。也在那个时代,一位叫做J. Franklin Hyde的年轻化学家在康宁开发出了基于四氯化硅制造纯净石英的工艺。从1950年代开始,康宁将掺杂钛元素的石英工艺用于陶瓷玻璃餐具和其他军用用途中。

Maurer找到了Frank Zimar博士和他一起进行研发。Zimar 博士1945年加入康宁,他是一位试验化学家 。他开发的可以工作到2000摄氏度的炉子对于熔点在1650摄氏度的石英研究非常有用。Maurer和Zimer基于钛掺杂的纤芯和纯石英外套工艺开发了第一根单模光纤,验证了石英光纤的工艺可行性。

1967年,一位暑期实习生Clifton Fonstad 的参与,给出了更多令人鼓舞的结果,也让Amistead 决定扩大研究规模。Peter Schultz和Donald Keck在这个时候得以加入这个工作。Schultz博士毕业于Rutgers大学,主要从事不透明玻璃材料研究,1967年加入康宁。Keck 博士毕业于密西根州立大学,主要研究波传输理论,1968年加入康宁。

Schultz和Keck发现原有的钛掺杂工艺有许多问题,做出的光纤要不损耗高,要不太脆。他们改用从套管内部沉积钛掺杂石英再崩塌收缩的办法来制作纤芯,经过反复试验,1969年夏天,他们研发出合适的炉子。也是在这个时候,光纤125微米外径的标准得以确定。1970年初,康宁开始决定对他们的光纤工艺申请专利。5月11日,康宁申请两项光纤基本工艺的专利。第一,Maurer和Schultz的“熔融石英光波导”;第二,Keck和Schulta的 IVD制作光纤工艺。

1970年7月22日,Keck和Zimar从六根钛掺杂预制棒拉出光纤。8月7日完成热处理。29米的光纤实现17dB/km的损耗指标,8月21日实现210米光纤的热处理,测量损耗16.9dB/Km,标志着低损耗光纤的正式诞生。

1970年9月底,Maurer在英国IEE主板的通信会议上透露了16dB/Km这一指标。同年11月15日的应用物理快报上,Maurer和Keck发表了这一结果。在此前后,他们也与贝尔实验室的科学家们通报了这一成果,并在英国邮电进行了测试。康宁光纤的测试结果震惊了英国人,他们试图采取间谍手段分析这种光纤的成分,却无功而返。

钛掺杂纤芯光纤的发明是一个划时代的成就,但是这种光纤的强度却不够。与此同时,贝尔实验室最初的光纤通信系统更加看重多模光纤,而不是康宁最初制作的单模光纤。Zimar的老板,John Frazer要求他们去开发一种新的掺杂工艺,锗掺杂的OVD工艺应运而生。二氧化锗在IVD工艺中会被挥发,因此需要一种新沉积工艺。1972年6月,Zimar,Schultz和Keck的团队成功开发出基于OVD工艺的锗掺杂光纤,在800到850nm下实现了4dB/Km的损耗指标。在Maurer,Keckhe Schultzde 的一篇文章“决定玻璃光波导损耗下限的最终因素”中,他们指出氢氧基正是这一最终因素。

1978年,NTT实现了1550nm下0.2dB/Km的损耗指标。人类进入了全新的光纤通信时代。让我们记住在光纤发明中那些做出杰出贡献的科学家的名字吧。
关键字: 康宁 光纤 石英光纤
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