光纤技术关键转折：医学需求助力行业突破停滞-明大装潢网

撰写者|彼得·汤森德

翻译|赵谦

过去70年来英国最大的土方工程并不是修建通往法国的英吉利海峡隧道，而是在该国的街道上铺设光纤。光纤通信彻底改变了我们的生活方式和休闲方式。它没有提高电视节目的质量，但确实带来了生活方式的革命。这些想法背后的科学早已确立，尽管许多领先的通信行业曾经普遍认为使用光纤进行长距离通信是不现实的，但这些想法现在已经成为现实。

技术难点能否攻克，很大程度上取决于我们如何理解玻璃中杂质和缺陷的作用，以及如何设计光源和探测器，使光信号携带信息。人们之所以认为光纤不能用于通信，主要与光纤的历史背景和科学有关。同时，我也必须强调，光纤通信的成功是由于极少数人的潜心研究，加上医疗的巧合。也是激光发展的好时机。这些看似无关的因素组合在一起，给了光纤行业发展的机遇。我非常喜欢杰夫·赫克特(Jeff Hecht) 在他1999 年出版的书《光之城》（光之城）中对科学进步和人物魅力的精彩评论。

长距离发送光信号并不是一个创新的想法。这种方法在过去的几千年里被许多国家所使用。入侵不列颠的罗马人在铺设道路时会点燃烽火，你可以看到远处即将修建一条笔直的道路。后来的英国人似乎忽略了这种特殊的信息传输技能，直到一千年后才在铁路和公路的建设中再次使用。在古代中国和罗马以及后来的文明中，从高处点燃烽火来表示入侵者的攻击。

可以通过控制发出的烟雾量来传输信号，以及通过定日镜反射阳光来传输信号来发送信息。梵蒂冈选举期间，仍使用彩色烟雾来传达选举进展。光信号传输方法可以传输更大量的信息。它通过间歇脉冲进行编码。这就是现代二进制数字信号传输方法。数字信号只有两种类型：0和1。它非常适合现代光纤数据传输。虽然概念可能相同，但使用定日镜时，脉冲频率为每分钟几次，而使用光纤时，脉冲频率会增加到每秒十亿次以上。相对于光纤的部分改进在于，可以使用多种不同颜色的光来发送信号，而波长选择性编码意味着一根光纤上可以有100 个不同颜色编码的通道。

通过反射阳光可以看到数英里外的定日镜，但它们的缺点是依赖直线视线（并且只能在晴朗的白天进行）。为了对其进行改进并使光传输达到通过电线传输电信号的便利性，需要三个基本组件。一个是定向强脉冲光源，另一个是引导光绕过拐角的系统，第三个是灵敏的探测器。光纤的两端都需要信号处理设备来编码和解码信息。这些都是巨大的挑战。只有满足上述所有条件，才能提高信号从编码到解码的速度。

图1 光可以在玻璃或光纤内反射。如果光纤的纤芯相对于光的波长较大，则存在多种可能的反射角，称为模式，写作m=0、m=1、m=2 等。为了效果，此处放大了角度。对于通信光纤，高折射率芯通常非常小，因此光实际上只能以一种模式沿光纤直线传播。

暴露的光纤表面可能会出现污垢和划痕等问题，因此解决方案是将它们包裹在另一种折射率较低的玻璃中。这在光纤系统中非常重要。这听起来可能是一个平庸的想法，任何在校理科学生无需阅读任何现代文学作品就可以想出的想法。但事实上，即使是顶尖的科学家也有缺陷。他们没有早发现这个问题，也没有想到添加保护玻璃涂层的简单解决方案。这不仅阻碍了光纤的发展，也意味着一些主要工业实验室放弃了这项研究。

医疗需求促进玻璃纤维制造

我们现在可以制造数十或数百公里长的纤维，但就在50年前，我们只能制造几米长的纤维。从技术上讲，即使是中等长度的光纤也很难制造。如果这些短、细、柔韧的玻璃棒毫无用处，那么人们对光纤系统的热情就会很快消失。幸运的是，医学界在这方面提供了巨大的鼓励，因为医生不仅要检查患者身体的表面状况，还要检查他们的内脏器官。医生第一次尝试窥视器官（例如胃）内部时，他们使用了吞剑技术，将管子和光源通过口腔插入患者体内。使用较大直径的刚性管获取内部图像通常会带来灾难性的后果，许多患者在此过程中受伤或死亡。结果，死亡的病人比吞剑者还要多。令人惊讶的是，医生们从未放弃，因为当时，尽管这种方法存在明显的医学问题，但医生们却找不到其他手术方法来帮助他们诊断。

人们需要一种直径小且可以弯曲的内窥镜，许多研究人员投入了相关研究来试图克服这个问题，要么使用更柔性的管子和一系列透镜来传输图像，要么使用玻璃纤维束。添加这些设备后，透镜系统变得非常庞大，直径也大得惊人。在管中使用半英寸直径的玻璃透镜系统来检查前列腺问题听起来比实际情况更糟糕。玻璃纤维束更柔韧，直径稍小。如果光纤可以光学分离，则每根光纤仅从一个观察点发送信号。例如，50 根光纤可以提供50 个点的图像，与现代的百万像素相机相比，这非常差，但它确实提供了刚性管和镜头的改进。

先驱们意识到，他们不仅需要非常透明的玻璃来传输光，还需要添加包层材料以将光限制在纤维内，并避免玻璃纤维/玻璃棒相互接触时漏光。如果人们用手触摸玻璃，光损失会非常严重，因为手指上的油会在玻璃表面造成散射。最初，人们发现在玻璃表面涂上一层金属似乎是限制光线的好方法，但随着光线多次反射，大部分光线在从胃反射回玻璃时就消失了杆。每发生第二次反射就会损失15% 的信号。对于只有10 次反射的短光纤，光的强度减少了80% 以上（仅剩下20%）。

后来人们开始尝试用塑料外涂层代替金属镜。这些塑料涂层的吸收性比金属差，但它们的结合力不太强，一些废物可能会被困在玻璃-塑料界面上，导致显着的信号散射和损失。第一个真正的成功是使用经过研磨和火焰抛光的非常干净的玻璃棒。将其插入同样干净且抛光的低折射率玻璃管中。该装置被加热、软化并拉伸成玻璃棒，形成半柔性“纤维”，将光限制在玻璃芯内。将多根光纤的一端排列并固定成光纤束，以传输图像信息。这些设备非常受欢迎，创造了巨大的医疗市场，并延续了人们对光纤的热情。

医学界和公众并不都说同一种语言。使用光纤观察身体内部不需要手术，因此该过程被委婉地描述为“非侵入性”。但经历过这种考试的朋友却用完全不同的词语（这里不方便引用）来形容。非侵入性检查也经常导致感染，可能是因为纤维系统难以彻底消毒。

巧妙的制造方法

最初尝试制造纤维形式的可控超细玻璃丝可能是由于19 世纪需要使用非常细的玻璃纤维来制造用于电气测量仪器的扭曲丝。其中一种仪器是非常灵敏的镜面检流计，用于测量微小电流。安装在系统上的镜子使光束偏转，从而使线圈通电引起的扭曲变得更加明显。一种可用于悬挂反射器的“线”是玻璃纤维。尽管熟练的玻璃制造商可以制造短长度的大直径玻璃纤维，但直径会随长度而变化，并且该方法不易重复。真正的技术进步出现在1887 年，当时Charles Vernon Boys 设计了一种微型十字弓，在十字弓上放置了一根加热玻璃棒。烧制这种玻璃弓会产生细长的熔融玻璃丝，冷却后形成均匀且坚固的玻璃纤维。从机械角度来说，这种玻璃纤维比相同直径的钢更强。它比手绘玻璃纤维更薄、更透明，即使长度达到数米以上，其直径也几乎保持不变。弩的射程只有几十米，但却让人们认识并测量了玻璃纤维的一些特性。光纤因此在实验室成为现实。

灵敏镜面检流计是跨大西洋海底电缆系统的重要组成部分，用于检测莫尔斯电码信号的电脉冲。现在我们看到衍生技术完全盖过了并取代了原有的系统。

更长的纤维

到20 世纪60 年代，内窥镜检查的一个主要挑战是包覆光纤以防止传输信号丢失。后来人们逐渐认识到，可以制造出一种精确控制的光纤，其纤芯的折射率较高，用于传输光，外包层的折射率比纤芯的折射率低。包层使光纤变得更坚固，防止表面与水蒸气发生反应，更重要的是，防止光纤弯曲时光逸出。

大多数美国大公司仍然完全否认使用光纤进行长距离信号传输的可能性。部分原因是现有的光纤性能很差，但与此同时，这些公司正在研究塔之间的微波和无线电链路。他们认为可以在地下金属管道内建造微波系统。由于战时的需要和军方对雷达的兴趣，人们对微波有了很好的了解，并建造了微波源和探测器。微波本身的问题是：（1）金属波导损耗极高，信号强度衰减； (2)信号不能在急转弯处弯曲。为了解决这些问题，需要进行多级检测，放大信号或使用其他方法每隔几百米重复和增强信号。微波波导还对失真、热效应和天气条件敏感，这些条件会影响承载微波信号的管内的空气（和水蒸气）。从今天的角度来看，我们可能想知道为什么当时的人们如此热情、投入并投入如此多的资金来采用这种存在如此多明显问题的方法。

早期光纤中的光损耗和散射

起初，很少有科学家认真研究光纤相关问题，更不相信光纤可以长距离传输信号。最显着的问题是那个时期的玻璃纤维信号强度下降得非常快，并且不清楚如何制造长纤维并将它们连接在一起。这些接头被认为极其难以制造。确实，现代光纤的直径几乎与人类头发的直径相同，而传输信号的纤芯只有头发直径的十分之一。电话工程师有时必须在恶劣天气下在室外进行维修，而且似乎不可能以小于1% 的误差精确对准两个这样的玻璃芯。如今，这项任务仍然不容易，但有更可靠、更常规的方法。

通过光纤引导光的想法很简单，但在1960 年，在制造出的第一批光纤中，光的吸收和散射造成了非常严重的损失。即使使用最优质的玻璃材料，每增加一米光纤也会导致信号强度降低50%。这是对实验室演示的改进，但即使使用10 米光纤在房间内进行通信，从光纤发出的光也比输入光弱1,000 倍。当时还不存在制造数千米光纤的技术，但这并不重要，因为光在玻璃中损失了太多，根本无法传输信号。总的来说，需要一种吸光能力是窗玻璃百万分之一的材料。

透过窗户玻璃也可以看到光损失，朝玻璃较薄（几毫米厚）的方向看，我们可能会认为损失仅仅是由于灰尘和表面反射造成的。玻璃的折射率为1.5，可见光在玻璃-空气界面的反射损失约为4%（因此，在没有光吸收的情况下，约92%的可见光可以透过玻璃）。如前所述，如果我们从边缘观察一块窗玻璃，我们会注意到它的透明度明显降低，并且显得略带绿色（由于玻璃中存在铁杂质）。反射损失并没有增加，但即使玻璃的长度只有十几厘米，我们也能看到光吸收效果。对于传输信号所需的数千米光纤来说，这意味着信号将被损坏。

比窗玻璃（由各种金属氧化物组成的硅酸盐）更透明的材料是纯二氧化硅（SiO2）。但人们最初拒绝用它制造任何纤维材料，因为尽管它是现有的最透明的材料，但它的折射率非常低（约1.46）。还没有人弄清楚如何将其制成纤芯，因为它需要折射率较低的玻璃包层。此外，许多实验者面临的限制是从几乎熔化的硅棒中拉制硅纤维需要极高的温度。二氧化硅的熔点约为1713摄氏度。 1960 年，能够达到这些温度的熔炉和坩埚材料很少见，相对简单的加热方法是使用氢氧火炬。

不幸的是，当时的玻璃行业并不了解哪些因素限制了玻璃的透射率，因为没有必要解决这个问题。据信，玻璃吸收一些光是由于制造玻璃的沙子中存在铁或其他金属等杂质，这是事实。然而，像二氧化硅这样的材料的一个优点是它仅由一种简单的成分——二氧化硅组成。这意味着它的成分或密度不太可能发生显着变化，即不会出现散射位点。

散射与光的波长有关，这是非常直观的。从光学上看，散射强度与波长的四次方成反比，因此波长为400纳米（即40010-9米）的蓝光的散射强度是红光（波长为700纳米）的9.4倍。纳米）。蓝光和红光散射强度的差异与熟悉的日常现象一致，并解释了为什么天空是蓝色的。直射阳光混合了太阳发出的所有辐射波，当你朝太阳的方向看时，你可以看到强烈的、未散射的黄色和红色光。但从其他方向看到的光已经被散射了多次。由于波长较短的蓝光比红光散射更强，因此天空的其余部分是蓝色的。

在长波长光（比可以透过二氧化硅的波长更大）下，二氧化硅是透明的并且散射率低，这也促进了重金属氟化物玻璃的研究。人们投入了大量的精力来制作称为ZBLAN 的各种材料。 ZBLAN 玻璃是锆、钡、镧、铝和钠等氟化物的复杂混合物。虽然它们确实比二氧化硅更好地吸收长波长光，但由于密度/成分不均匀导致光散射，它们遭受了显着的损失。这种复杂材料的研究目标不是在接近1.5 微米的波长下工作，而是转向更长的波长，例如10 微米，这将使原始散射损耗减少约250 倍。事实上， ZBLAN 变化很大且脆弱，因此我们一直使用二氧化硅。

带着杂质取得进步

现实与我们现在所知道的非常不同，20 世纪60 年代的重点是如何制造和使用尽可能最透明的材料。为了减少光吸收，必须除去金属和水等杂质。最好的替代透明材料是二氧化硅，但如前所述，它具有极高的熔点和比所有玻璃更低的折射率。解决这个问题的重点是去除所有杂质，然后再考虑后续的熔化和熔覆问题。这是一种明智的方法，因为它使我们能够看到材料透明度的提高。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经费和支持。一如既往，杂质有两种形式：有益的和有害的。这些有害杂质吸收光，但只关注它们会忽略其他杂质的好处。

玻璃制造商在硅酸盐玻璃中掺杂大量其他氧化物（例如硼、钠、钙等，以降低熔点或充当稳定剂以制造不易碎的玻璃）或铅（以增加折射率）。这些都是众所周知的事实，因此类似的方法可以应用于石英光纤。令人惊讶的是，人们并没有立即接受这一点。并非所有标准玻璃掺杂剂都与光纤应用兼容。例如，硼吸收现代光纤携带的红外光（波长1.54 微米），但它适用于早期传输的红色激光信号（波长接近800 纳米或0.8 微米）。

由于值范围非常大，图2 显示了光纤中的衰减损耗模式。最低损耗值出现在接近1.5 微米的波长处，此时曲线有最低谷。早期的光纤只能传输波长接近1.3微米的光，这受到当时光源和探测器选择的限制。该频段的光损耗也出现了一个低谷。现代材料比此处使用的示例更加透明。吸收峰出现在两个波谷之间，这是由于纤维中残留水的作用。图表上的曲线变化很明显，但我们需要记住，影响因素是杂质（例如水），它可能只占玻璃的百万分之几。即使在损耗最大的波长下，它仍然是非常透明的玻璃，但我们关注的是每公里的损耗，而不仅仅是窗玻璃的厚度。

图2 光纤中的衰减损耗模式

二氧化硅中的硅可以用其他四价元素代替，例如钛或锗。较重的原子携带更多的电子，这些电子与光的相互作用更多，导致其传播速度更慢并增加折射率。一家美国公司早期生产的玻璃纤维中含有一些钛以增加玻璃的折射率。然而，通过用锗离子替代部分硅离子，尺寸更合适，离子键匹配更好。锗还可以增加折射率。因此，采用硅酸玻璃作为纤芯，纯二氧化硅作为包层，这样的光纤可以满足高折射率纤芯和低折射率包层的需要。我们认为锗是一种有益的掺杂剂而不是有害的杂质。

同样，熔点问题可以通过添加低熔点材料来解决。这些材料可能具有与四价硅不同的化学性质，因此可能不一定满足所有化学键。如果使用三价铝，则需要添加其他材料来补偿，例如磷等五价材料，以校正材料中的电子态（即5和3的平均值为4，这与硅原子的价键匹配）。如果在粘合过程中出现错误，可能会导致玻璃变色和光吸收。具体细节可能有所不同，但这个例子说明了降低锗硅酸盐玻璃熔点的原理。

去除导致光吸收的水和金属杂质至关重要。我们需要认识到的关键事实是，只要不影响应用所需玻璃的性能，就可以添加大量杂质。如今，光纤中的“有害”杂质已降至十亿分之一，这是炒作和营销中使用的数字。没有提及添加大量的锗以增加折射率或添加钠、铝或氟以调节熔化温度。如果光纤中有光放大器和激光器，还需要添加其他杂质（如铒）。

虽然尖端科学可以描述长距离透明光纤的结构，但细节和要求的限制和困难正在迅速升级。例如，纤芯和包层的折射率非常相似，例如1.48（纤芯）和1.46（包层）。较大的纤芯更有可能引起信号激光耦合，但较大的直径会产生更多的光学模式，从而导致不同的传输速度，因为光的弹跳增加了路径长度并减慢了信号速度。对于脉冲编码信号，较大的芯直径限制了可用的脉冲速率。因此，该解决方案旨在缩小纤芯并使折射率在边界处逐步变化。

光纤科学缺陷总结

总结缺陷的作用，我们可以看出，在光纤材料的开发中，需要将玻璃的透明度提高至少一百万倍。在很大程度上，这意味着从玻璃中去除许多金属和水蒸气，这些金属和水蒸气会吸收透射光并导致其衰减。同时，添加其他杂质（有用的杂质，即掺杂剂）可以控制折射率、熔点和拉伸温度，也有助于形成具有高拉伸强度的玻璃。

许多名人和工业家未能理解光纤通信的潜力，对先进和成熟的技术存在严重偏见，缺乏资金，企业竞争，企业破产和极具破坏性的专利诉讼（参见Jeff Herr Kurt 的书《光之城》），所有这些都导致了一系列完全不同的社会缺陷。虽然我的研究是学术性的，但我也深深地受到了对企业竞争、刻意压制竞争对手、偏见和明显缺乏智慧的决策的理解的启发。当然，这些问题在学术界也存在，但在普通文献或科研教学中很少提及。我能得出的最积极的结论是，如果有足够多的人有远见、魅力、销售技巧，并努力工作，最终会取得进展，尽管这需要付出巨大的努力。

为了演示如何从缺陷中受益，我将引用最近的光纤传输示例。当埋地光缆变形时，例如由于重型车辆通过、地震引起的地面震动、山体滑坡或地面撞击，微小的光纤也会弯曲，导致光线折射回光源，从而导致在一些信号丢失的情况下。显然，这个缺陷会干扰光通信。

然而，随着对通信容量的需求不断增加，光纤常常被逐步淘汰和取代。但被淘汰的光纤系统仍将保留。人们意识到这些信号反射可用于定位地壳活动。例如，地质学研究生Celeste Labedz 在阿拉斯加的光纤中发现了“噪音”，从而可以检测到一些冰川地震。拉贝兹没有在阿拉斯加安装一个本地地震传感器，而是使用光纤添加了多个传感器。此外，人们还利用光纤绘制海底断裂带和地震图，收集大地震和火山爆发的预测信息。

彼得·汤森(Peter Townsend)，苏塞克斯大学物理学名誉教授。他曾在9个国家工作过，横跨学术界和工业界，专业领域包括固态物理缺陷、离子注入、发光、玻璃、光电子学、癌症检测等。他发表了超过550篇研究论文和8本书籍，并持有马德里自治大学和保加利亚科学院的荣誉博士学位。

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