光纖通信徹底改變了人們的生活方式，但它的發展并非坦途無阻，早期人們一度認為光纖通信是不可能的。在少數人的堅持下，并恰逢醫療和雷射發展，看起來似乎互不相關的因素結合在一起，才使光纖行業獲得了發展機遇。而在具體技術上，了解玻璃中雜質和缺陷的作用是其成功的關鍵之一。
撰文 | 彼得·湯森（Peter Townsend）
翻譯 | 趙倩
在過去 70 年中，英國最大的土方工程項目不是修建通往法國的英吉利海峽隧道，而是在全國街道上鋪設光纖。光纖通信已經徹底改變了我們的生活與休閑方式，它并沒有提高電視節目的品質，但它确實帶來了一場生活方式的革命。這些設想背後的科學理論早已确立，盡管許多領先的通信行業曾普遍認為用光纖進行遠端通信是不現實的，但如今這些設想都已變成了現實。
能否克服技術上的困難，這在很大程度上取決于我們如何了解玻璃中雜質和缺陷的作用，以及如何設計光源和探測器，進而使光信号攜帶資訊。人們之是以認為光纖無法應用于通信，其原因主要與光纖的曆史背景和科學有關，同時我也必須強調，光纖通信之是以能夠成功，是因為極少數人的專注研究，再加上恰逢醫療和雷射發展的好時機。這些看上去互不相關的因素結合在一起，才使光纖行業獲得了發展的機遇。我非常欣賞傑夫·赫克特（Jeff Hecht）1999 年出版的《光之城》（City of Light）一書中有關科學進步與相關人物魅力的精彩評論。
發送遠距離光信号并非創新想法。在過去幾千年的曆史中，許多國家都曾使用過這種方法。入侵英國的羅馬人會在鋪設道路時點燃烽火，在遠處就能看到要在哪裡修建一條筆直的道路。後來的英國人似乎忽視了這種特殊的資訊傳輸技能，直到一千年後才在鐵路和高速公路建設中再次運用。在古代中國和羅馬，以及後來的文明中，人們都會點燃高處的烽火來發送入侵者攻擊的信号。
通過控制煙霧噴射量來傳遞信号，以及通過日光反射信号器反射太陽光來傳遞信号，都可以将資訊發送出去。在梵蒂岡的選舉中，仍會用彩色煙霧來傳遞選舉的進展情況。光信号傳輸方法能夠傳遞更大量的資訊，它通過間斷的脈沖進行編碼，這正是現代二進制數字信号傳輸方法，數字信号隻有 0和 1 兩種。它是現代光纖資料傳輸的理想選擇。雖然概念可能是相同的，但使用日光反射信号器時，脈沖頻率為每分鐘幾次，使用光纖時，脈沖頻率提高至每秒 10 億次以上。對光纖進行的部分改進在于，可以用多種不同顔色的光發送信号，波長選擇性編碼意味着在一根光纖上可以有 100 個不同顔色編碼的通道。
通過日光反射信号器反射太陽光可以在數英裡内被别人看到，但它們有一個缺點，那就是依賴直線視野（而且隻能在天氣晴朗的白天進行）。為了對其進行改進，并使光學傳輸達到通過電線傳輸電信号的便利性，需要三個基本元件。一是定向強脈沖光源，二是引導光線繞過拐角的系統，三是靈敏的探測器。光纖兩端都需要用信号處理裝置對資訊進行編碼和解碼。這些都是巨大的挑戰，隻有具備上述所有條件，從信号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内彈跳。如果與光的波長相比，光纖的纖芯較大，則有多個可行的彈跳角度，稱為模，寫為 m=0、m=1、m=2 等。此處為了顯示效果而誇大了角度。對于通信光纖，高折射率纖芯往往非常小，是以實際上光隻能以一種模式沿光纖直線傳播。
裸露的光纖表面會出現污垢和劃痕等問題，是以解決辦法是使用折射率較低的另一種玻璃包裹。這在光纖系統中非常重要。聽起來似乎隻是一個平平無奇的想法，學校裡的理科學生都可以在沒讀過現代文獻的情況下想出這個解決辦法。但事實上，即使是頂尖科學家也有不完美之處，他們并未及早發現這個問題，也沒有想到加保護性玻璃覆層這一簡單的解決方案，這不僅阻礙了光纖的發展，還意味着一些主要的工業實驗室放棄了這項研究。
醫學需要促進玻璃纖維制造
我們現在制造的光纖長達幾十千米或幾百千米，但僅僅在 50 年前，我們還隻能制造長度為幾米的光纖。從技術上講，即使是中等長度的光纖，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用武之地，人們對光纖系統的熱情很快就會消失殆盡。幸運的是，醫學界在這方面給予了巨大的鼓勵，因為醫生不僅希望檢查患者身體表層的狀況，也希望檢查其内部器官。在醫生首次嘗試窺視髒器（如胃）内部時，采用的是類似于吞劍的方式，通過口腔将一根管子和光源插入患者體内。使用直徑較大的硬管來擷取内部圖像，往往會造成災難性的後果，許多患者在這個過程中受傷或死亡。是以死亡的病患比吞劍者還要多。令人驚訝的是，醫生們一直沒有放棄，因為在那個年代，即使這種方法存在明顯的醫療問題，醫生們也找不出其他外科方法幫助他們進行診斷。
人們需要一種直徑小且能彎曲的内窺鏡，許多研究者投入相關研究，試圖攻克這個難題，既嘗試用更加柔韌的管子和一系列透鏡來傳輸圖像，也使用玻璃纖維束。加上這些器材以後，透鏡系統變得非常笨重，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）的玻璃透鏡系統來檢查前列腺問題，這光景聽起來比病情更糟糕。玻璃纖維束更加柔韌，直徑稍小。如果纖維可以光學分離，那麼每根纖維隻從一個觀察點發送信号。比如說，50 根纖維可以提供 50 個點的圖像，與現代幾百萬像素的相機相比，這樣的成像效果極其糟糕，但它的确在硬管和透鏡方面做出了改進。
先驅們意識到，他們不僅需要非常透明的玻璃來傳輸光，還需要添加包層材料，将光限制在纖維内，并且避免玻璃纖維/玻璃棒互相碰觸時出現光洩漏。如果人們用手觸摸過玻璃，光損耗會非常嚴重，因為手指上的油脂會導緻玻璃表面發生散射。最初，人們發現，在玻璃表面塗一層金屬似乎是一個限制光線的好方法，但随着光線多次彈跳，即使從胃部反射回玻璃棒中，大部分光線也會損耗，金屬鏡面在每次反射時都會損耗 15%的信号。對隻有 10 次反射的短纖維來說，光的強度會降低 80% 以上（隻剩下 20%）。
後來人們開始嘗試使用塑膠外層而不是金屬鏡面。這些塑膠塗層比金屬的吸收率低，但其結合的牢固度較低，且一些廢棄物會滞留在玻璃與塑膠的交界面上，導緻信号大量散射和損失。第一次真正的成功是使用非常幹淨且經過打磨和火焰抛光的玻璃棒。将其插入同樣幹淨且經過打磨的低折射率玻璃管中。對這一套裝置進行加熱、軟化，然後将其拉成一根玻璃棒，最後得到一段半柔性的“纖維”，它可以将光線限制在玻璃内芯中。将許多光纖的一端對齊，固定成一個光纖束，以此來傳輸圖像資訊。這些裝置非常受歡迎，是以形成了一個巨大的醫療市場，使人們對光纖的熱情始終不減。
醫學界和公衆所使用的語言并非全然相同。使用光纖來檢查身體内部不需要手術，是以這個過程被委婉地描述為“非侵入式”。但經曆過這種檢查的朋友則用截然不同的詞（這裡不便引用）來描述。非侵入式檢查也經常會引發感染，這可能是因為纖維系統很難進行徹底消毒。
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，可能是因為 19 世紀需要用非常薄的玻璃纖維來制造電氣測量儀器的扭絲。其中一種儀器是非常靈敏的鏡式電流計，用來測量微小的電流。安裝在系統上的反射鏡可以使光束偏轉，進而使線圈通電後引發的扭轉變得更加明顯。一種可以用于懸挂反光鏡的“線”是玻璃纖維。盡管熟練的玻璃工匠可以制造長度短、直徑大的玻璃纖維，但直徑會随長度而變化，而且這種方法不易重複。真正的技術進步出現在 1887 年，當時查爾斯·弗農·博伊斯（Charles Vernon Boys）設計了一把微型弓弩，将一根加熱的玻璃棒放在弩上。發射這支玻璃弓箭，形成了一條細長的熔融玻璃，冷卻成為均勻而堅固的玻璃纖維。從機械上來說，這種玻璃纖維比相同直徑的鋼更加堅固。它比手工拉制的玻璃纖維更細、更透明，即使長度達到數米以上，直徑也幾乎不變。這支弓弩的射程隻有幾十米，但它使人們意識到了玻璃纖維的一些性質，并對其加以測量。光纖是以得以在實驗室内變為現實。
靈敏的鏡式電流計是跨大西洋海底電纜系統的重要組成部分，用于檢測摩爾斯電碼信号的電脈沖。現在我們已經看到，衍生技術完全掩蓋并取代了原來的系統。
更長的光纖
到了 20 世紀 60 年代，内窺鏡檢查的主要難題是對光纖包層，進而防止傳輸信号丢失。後來人們逐漸認識到，可以制造一種精密控制的光纖，纖芯具有較高的折射率，用來傳輸光線，同時外部包層的折射率低于纖芯的折射率。包層使光纖更堅固，防止表面與水蒸氣發生反應，更重要的是，當光纖彎曲時，光不會逃逸。
使用光纖進行遠端信号傳輸的可能性仍然遭到大多數美國大公司的完全否定。部分原因在于現有的光纖性能太差，但與此同時，這些公司正緻力于信号塔之間的微波和無線電鍊路。他們認為可以在鋪設于地下的金屬管道内建造微波系統。由于戰時需要以及軍方對雷達的興趣，人們對微波已有充分的了解，并建造了微波源和探測器。微波本身的問題是：（1）金屬波導會造成極高的損耗，是以信号強度會衰減；（2）信号不能在急轉彎處彎曲。為了解決這些問題，人們需要在許多階段進行檢測，放大信号或采用其他方式，每隔幾百米對信号進行重複和增強。微波波導對失真、熱效應和天氣條件也很敏感，這些因素會影響傳輸微波信号的管道内的空氣（和水蒸氣）。從現在的角度來看，我們可能會感到奇怪，這種方法有這麼多明顯的問題，為何當時的人們依然對它熱情高昂，堅定不移，并投入大量資金。
早期光纖中的光損耗與散射
最初幾乎沒有科學家認真研究與光纖相關的問題，更不可能相信光纖可以遠距離傳輸信号。最顯著的問題是，那個時期的玻璃纖維會非常迅速地降低信号強度，而且當時人們也不清楚如何制作長纖維并将它們連接配接在一起。人們認為，接頭的制作極其困難。的确如此，現代光纖的直徑幾乎與人的發絲直徑不相上下，傳輸信号的纖芯隻有發絲直徑的十分之一。電話工程師有時需在惡劣的天氣下在室外進行維修，要精準對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，這項任務依然不容易，隻不過有了更加可靠和正常的方法。
引導光通過光纖，這個想法很簡單，但在 1960 年，在人們能夠制造出的第一類光纖中，光的吸收和散射會造成非常嚴重的損耗。即使使用品質最好的玻璃材料，每一米纖維都會導緻信号強度降低 50%。對實驗室示範來說，這是一種進步，但即使使用 10 米光纖在房間内進行通信，從光纖中射出的光也比輸入光弱 1000 倍。當時還沒有能夠制造數千米光纖的技術，但這無關緊要，因為光在玻璃中大量損耗，根本無法傳輸信号。總的來說，人們需要一種光吸收能力是窗玻璃的 100 萬分之一的材料。
通過窗玻璃也能看到光損耗現象，從玻璃較薄的方向（厚度為幾毫米）進行觀察，我們可能會認為，出現損耗僅僅是因為灰塵和表面反射。玻璃的折射率為 1.5，可見光在玻璃與空氣界面的反射損失約為 4%（是以，在沒有光吸收的情況下，約 92% 的可見光可以透過玻璃）。如前文所述，如果我們從邊緣觀察一片窗玻璃，會發現它的透明度明顯降低，且略微呈現出綠色（因為玻璃中含有鐵雜質）。反射損失并未增加，但即使玻璃的長度隻有十幾厘米，我們也能看到光吸收效應。對于信号傳輸所需的數千米光纖，這意味着信号會遭到破壞。
比窗玻璃（由多種金屬氧化物組成的矽酸鹽）更透明的材料是純二氧化矽（SiO2）。但人們最初拒絕用它制作任何纖維材料，因為它雖然是可用的最透明的材料，折射率卻非常低（約為 1.46）。人們尚未想到如何将它制作成纖芯，因為它需要一個折射率更低的玻璃包層。此外，許多實驗主義者面臨的一個限制是，要将一塊接近熔化的矽棒拉成矽纖維，需要非常高的溫度。二氧化矽的熔點是 1713 攝氏度左右。1960 年，能夠實作這種溫度的熔爐和坩埚材料較為罕見，相對簡單的加熱方法是使用氫氧焊炬。
不幸的是，當時的玻璃行業尚不了解限制玻璃傳輸的因素有哪些，因為人們并沒有解決這個問題的需要。人們認為玻璃會吸收一定的光，這是因為制造玻璃的沙子中存在雜質，例如鐵或其他金屬，這一點沒錯。然而，二氧化矽等材料的一個優點在于，它隻有一種簡單的組成成分，即二氧化矽。這意味着它的成分或密度不太可能發生顯著的變化，也就是說，不會出現散射位點。
散射與光的波長有關，這一點非常直覺。在光學上，散射強度與波長的四次方成反比，是以波長為 400 納米（即 400×10-9 米）的藍光的散射強度是紅光（波長 700 納米）的 9.4 倍。藍光和紅光在散射強度上的差異符合我們所熟悉的日常現象，也解釋了為什麼天空是藍色的。直射的陽光混合了太陽發出的所有輻射波，朝太陽的方向望去，可以看到強烈的、沒有散射的黃光和紅光。但從其他方向看到的光都已經過多次散射。由于波長較短的藍光散射強度大于紅光，是以天空的其餘部分都是藍色。
在長波光（波長大于能透過二氧化矽的波長）下，二氧化矽是透明的，散射程度較低，這也促進了對重金屬氟化物玻璃的研究。人們投入大量精力來制造各種名為 ZBLAN 的材料。ZBLAN 玻璃是锆、鋇、镧、鋁和鈉等氟化物組成的複雜混合物。雖然它們對長波光的吸收确實比二氧化矽好，但由于密度/成分不均勻而導緻光散射，進而造成嚴重的損耗。對這種複雜材料進行研究，目的不是在接近 1.5 微米的波長下操作，而是移動到更長的波長下進行操作，例如 10 微米，這将使原本的散射損耗降低約 250 倍。事實上，ZBLAN 的成分變化很大，而且易碎，是以我們一直使用二氧化矽。
利用雜質取得進步
當時的現實與我們現在的認識截然不同，并且在 20 世紀 60 年代，人們關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。備選的最佳透明材料是二氧化矽，但正如前文所說，它的熔點極高，且折射率低于所有玻璃。解決這個問題的重點是去除所有雜質，然後再考慮後續的熔化和包層問題。這是一種明智的方法，因為它可以讓我們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準的研究資金和支援。與以往一樣，雜質有兩種形式，有利的雜質與有害的雜質。這些有害雜質會吸收光，但如果隻關注它們，就會忽視其他雜質的好處。
玻璃制造商在矽酸鹽玻璃中摻雜大量其他氧化物（如硼、鈉、鈣等，以降低熔點或充當穩定劑以制造非脆性玻璃）或鉛（以提高折射率）。這些都是衆所周知的事實，是以對二氧化矽纖維也可以采用類似的方法。令人驚訝的是，人們并沒有立即接受這一點。并非所有标準的玻璃摻雜劑都能與光纖用途相容。例如，對于現代光纖所傳送的紅外線（波長 1.54 微米），硼會産生光吸收，但它适用于早期所傳輸的紅色雷射信号（波長接近 800 納米，即 0.8 微米）。
由于數值範圍非常大，圖2顯示了光纖中衰減損耗的模式。最低損耗值出現在波長接近 1.5 微米的位置，此時曲線出現最低波谷。早期的光纖隻傳輸波長接近 1.3 微米的光，這受限于當時的光源和探測器選擇，這個波段的光損耗也出現了一個波谷。現代材料比這裡使用的示例更加透明。兩個波谷之間出現吸收波峰，源于纖維中殘餘水的作用。圖上的曲線變化很明顯，但我們需要記住，影響因素是雜質（比如水），它可能隻占玻璃的百萬分之幾。即使在損耗最大的波長下，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
二氧化矽中的矽可以用其他四價元素替代，例如钛或鍺。較重的原子帶有更多電子，這些電子會與光産生更多互相作用，進而使光的傳播速度變慢，并提高折射率。一家美國公司早期生産的玻璃纖維中包含了一些钛，以提高玻璃的折射率。然而，用鍺離子代替部分矽離子，尺寸更合适，離子鍵更比對。鍺也提高了折射率。是以，以鍺矽酸鹽玻璃作為纖芯，以純二氧化矽作為包層，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。我們認為鍺是一種有益的摻雜劑，而非有害的雜質。
同樣，熔點問題可以通過添加低熔點材料來解決。這些材料的化學性質可能與四價矽不同，是以未必能完全滿足所有化學鍵。如果使用三價鋁，則有必要再添加其他材料進行補償，比如磷等五價材料，進而糾正材料中的電子态（也就是說，5 和 3 的平均值為 4，這與矽原子的共價鍵相比對）。如果結合過程中出現錯誤，可能導緻玻璃變色與光吸收。其中的具體細節可能有所不同，但這個例子說明了降低鍺矽酸鹽玻璃熔點的原理。
去除導緻光吸收的水與金屬雜質至關重要。我們需要認識到的關鍵事實是，隻要不影響在應用中所需要的玻璃性質，就可以添加大量雜質。如今光纖中的“有害”雜質已被降至十億分之一，這是宣傳炒作和營銷中所用的數字。對于為提高折射率而加入的大量鍺或為調節熔化溫度而加入的鈉、鋁或氟等隻字不提。如果光纖中有光放大器和雷射器，還需添加其他雜質（比如铒）。
雖然前沿科學可以描述長距離透明光纖的結構，但在限制與困難方面的細節和要求也在迅速更新。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緻信号雷射耦合，但直徑越大，産生的光學模式就越多，進而産生不同的傳輸速度，因為光的彈跳會增加路徑長度并降低信号速度。對于脈沖編碼信号，較大的纖芯直徑會限制可用的脈沖速率。是以，解決方案的目标是縮小纖芯和使折射率在邊界處呈階梯變化。
光纖科學中的缺陷小結
對缺陷的作用進行總結，我們可以發現，在光纖材料的發展過程中，需要将玻璃的透明度提高至少 100 萬倍。從很大程度上來說，這意味着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吸收被傳輸的光，并造成光的衰減。同時，添加其他雜質（有用的雜質，即摻雜劑）可以控制折射率、熔點和拉伸溫度，也有助于形成抗拉強度大的玻璃。
許多知名人士和實業家未能了解光纖通信的潛力，對超前的技術和已牢固确立的技術存在嚴重偏見，資金不足，企業競争，企業破産和極具破壞性的專利訴訟（參見傑夫·赫克特的《光之城》一書），上述這些都導緻了一系列完全不同的社會缺陷。盡管我從事的是學術研究，但深入了解企業競争、蓄意打壓競争對手、偏見和明顯缺乏智慧的決策，也給予我極大的啟發。這些問題當然也存在于學術界，但在平常的文獻或科研教學中很少提及。對此我能得出的最積極的結論是，如果有足夠多的人具有遠見、魅力、銷售技巧，并且勤奮工作，雖然需要付出巨大的努力，但終究會取得進步。
為了證明如何從缺陷中獲益，我會引用一個最近發生的光纖傳輸的例子。當被掩埋的光纜發生變形時，例如由于重型車輛通過，地震、滑坡或地面撞擊所造成的地面震顫，微小的光纖也會發生彎曲，緻使光線向光源的方向折回，進而導緻部分信号損失。顯然，這個缺陷會幹擾光通信。
然而，由于對通信容量的需求不斷提高，光纖經常被淘汰和替換。但被淘汰的光纖系統仍會被保留。人們意識到，這些信号反射可以用來定位地殼活動。例如，一名地質學研究所學生塞萊斯特·拉貝茲（Celeste Labedz）發現了阿拉斯加光纖中的“噪聲”，由此檢測到一些冰川地震。拉貝茲并不是在阿拉斯加裝設一個局部的地震傳感器，而是利用光纖增設了多個傳感器。此外，人們還利用光纖繪制海底斷層帶和地震圖，收集有關大地震和火山爆發的預測資訊。
作者簡介
彼得·湯森（Peter Townsend），蘇塞克斯大學實體學榮譽教授。他曾在9個國家工作，橫跨學術界和工業界，涉及專業領域包括固體實體缺陷、離子注入、發光、玻璃、光電子學、癌症檢測等。他發表了550多篇研究文章和8本書，并擁有馬德裡自治大學和保加利亞科學院的榮譽博士學位。
本文經授權摘自《缺陷之美 : 自然、科技與生存之鑰》（中國科學技術出版社，2024年5月版）第七章《光纖通信》，有删改。
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