光纤通信彻底改变了人们的生活方式，但它的发展并非坦途无阻，早期人们一度认为光纤通信是不可能的。在少数人的坚持下，并恰逢医疗和激光发展，看起来似乎互不相关的因素结合在一起，才使光纤行业获得了发展机遇。而在具体技术上，理解玻璃中杂质和缺陷的作用是其成功的关键之一。
撰文 | 彼得·汤森（Peter Townsend）
翻译 | 赵倩
在过去 70 年中，英国最大的土方工程项目不是修建通往法国的英吉利海峡隧道，而是在全国街道上铺设光纤。光纤通信已经彻底改变了我们的生活与休闲方式，它并没有提高电视节目的质量，但它确实带来了一场生活方式的革命。这些设想背后的科学理论早已确立，尽管许多领先的通信行业曾普遍认为用光纤进行远程通信是不现实的，但如今这些设想都已变成了现实。
能否克服技术上的困难，这在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，从而使光信号携带信息。人们之所以认为光纤无法应用于通信，其原因主要与光纤的历史背景和科学有关，同时我也必须强调，光纤通信之所以能够成功，是因为极少数人的专注研究，再加上恰逢医疗和激光发展的好时机。这些看上去互不相关的因素结合在一起，才使光纤行业获得了发展的机遇。我非常欣赏杰夫·赫克特（Jeff Hecht）1999 年出版的《光之城》（City of Light）一书中有关科学进步与相关人物魅力的精彩评论。
发送远距离光信号并非创新想法。在过去几千年的历史中，许多国家都曾使用过这种方法。入侵英国的罗马人会在铺设道路时点燃烽火，在远处就能看到要在哪里修建一条笔直的道路。后来的英国人似乎忽视了这种特殊的信息传输技能，直到一千年后才在铁路和高速公路建设中再次运用。在古代中国和罗马，以及后来的文明中，人们都会点燃高处的烽火来发送入侵者攻击的信号。
通过控制烟雾喷射量来传递信号，以及通过日光反射信号器反射太阳光来传递信号，都可以将信息发送出去。在梵蒂冈的选举中，仍会用彩色烟雾来传递选举的进展情况。光信号传输方法能够传递更大量的信息，它通过间断的脉冲进行编码，这正是现代二进制数字信号传输方法，数字信号只有 0和 1 两种。它是现代光纤数据传输的理想选择。虽然概念可能是相同的，但使用日光反射信号器时，脉冲频率为每分钟几次，使用光纤时，脉冲频率提高至每秒 10 亿次以上。对光纤进行的部分改进在于，可以用多种不同颜色的光发送信号，波长选择性编码意味着在一根光纤上可以有 100 个不同颜色编码的通道。
通过日光反射信号器反射太阳光可以在数英里内被别人看到，但它们有一个缺点，那就是依赖直线视野（而且只能在天气晴朗的白天进行）。为了对其进行改进，并使光学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。一是定向强脉冲光源，二是引导光线绕过拐角的系统，三是灵敏的探测器。光纤两端都需要用信号处理设备对信息进行编码和解码。这些都是巨大的挑战，只有具备上述所有条件，从信号编码到解码的速度才能提高。
图1 光可以在一块玻璃或光纤内弹跳。如果与光的波长相比，光纤的纤芯较大，则有多个可行的弹跳角度，称为模，写为 m=0、m=1、m=2 等。此处为了显示效果而夸大了角度。对于通信光纤，高折射率纤芯往往非常小，因此实际上光只能以一种模式沿光纤直线传播。
裸露的光纤表面会出现污垢和划痕等问题，因此解决办法是使用折射率较低的另一种玻璃包裹。这在光纤系统中非常重要。听起来似乎只是一个平平无奇的想法，学校里的理科学生都可以在没读过现代文献的情况下想出这个解决办法。但事实上，即使是顶尖科学家也有不完美之处，他们并未及早发现这个问题，也没有想到加保护性玻璃覆层这一简单的解决方案，这不仅阻碍了光纤的发展，还意味着一些主要的工业实验室放弃了这项研究。
医学需要促进玻璃纤维制造
我们现在制造的光纤长达几十千米或几百千米，但仅仅在 50 年前，我们还只能制造长度为几米的光纤。从技术上讲，即使是中等长度的光纤，其制造难度也很大。如果那些又短又薄且具有柔韧性的玻璃棒毫无用武之地，人们对光纤系统的热情很快就会消失殆尽。幸运的是，医学界在这方面给予了巨大的鼓励，因为医生不仅希望检查患者身体表层的状况，也希望检查其内部器官。在医生首次尝试窥视脏器（如胃）内部时，采用的是类似于吞剑的方式，通过口腔将一根管子和光源插入患者体内。使用直径较大的硬管来获取内部图像，往往会造成灾难性的后果，许多患者在这个过程中受伤或死亡。因此死亡的病患比吞剑者还要多。令人惊讶的是，医生们一直没有放弃，因为在那个年代，即使这种方法存在明显的医疗问题，医生们也找不出其他外科方法帮助他们进行诊断。
人们需要一种直径小且能弯曲的内窥镜，许多研究者投入相关研究，试图攻克这个难题，既尝试用更加柔韧的管子和一系列透镜来传输图像，也使用玻璃纤维束。加上这些器材以后，透镜系统变得非常笨重，且直径大得惊人。在一根管子中使用直径半英寸（1 英寸 =2.54 厘米）的玻璃透镜系统来检查前列腺问题，这光景听起来比病情更糟糕。玻璃纤维束更加柔韧，直径稍小。如果纤维可以光学分离，那么每根纤维只从一个观察点发送信号。比如说，50 根纤维可以提供 50 个点的图像，与现代几百万像素的相机相比，这样的成像效果极其糟糕，但它的确在硬管和透镜方面做出了改进。
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，将光限制在纤维内，并且避免玻璃纤维/玻璃棒相互碰触时出现光泄漏。如果人们用手触摸过玻璃，光损耗会非常严重，因为手指上的油脂会导致玻璃表面发生散射。最初，人们发现，在玻璃表面涂一层金属似乎是一个限制光线的好方法，但随着光线多次弹跳，即使从胃部反射回玻璃棒中，大部分光线也会损耗，金属镜面在每次反射时都会损耗 15%的信号。对只有 10 次反射的短纤维来说，光的强度会降低 80% 以上（只剩下 20%）。
后来人们开始尝试使用塑料外层而不是金属镜面。这些塑料涂层比金属的吸收率低，但其结合的牢固度较低，且一些废弃物会滞留在玻璃与塑料的交界面上，导致信号大量散射和损失。第一次真正的成功是使用非常干净且经过打磨和火焰抛光的玻璃棒。将其插入同样干净且经过打磨的低折射率玻璃管中。对这一套装置进行加热、软化，然后将其拉成一根玻璃棒，最后得到一段半柔性的“纤维”，它可以将光线限制在玻璃内芯中。将许多光纤的一端对齐，固定成一个光纤束，以此来传输图像信息。这些设备非常受欢迎，因此形成了一个巨大的医疗市场，使人们对光纤的热情始终不减。
医学界和公众所使用的语言并非全然相同。使用光纤来检查身体内部不需要手术，因此这个过程被委婉地描述为“非侵入式”。但经历过这种检查的朋友则用截然不同的词（这里不便引用）来描述。非侵入式检查也经常会引发感染，这可能是因为纤维系统很难进行彻底消毒。
巧妙的制造方法
最初尝试以纤维的形式制造可控超薄玻璃丝，可能是因为 19 世纪需要用非常薄的玻璃纤维来制造电气测量仪器的扭丝。其中一种仪器是非常灵敏的镜式电流计，用来测量微小的电流。安装在系统上的反射镜可以使光束偏转，从而使线圈通电后引发的扭转变得更加明显。一种可以用于悬挂反光镜的“线”是玻璃纤维。尽管熟练的玻璃工匠可以制造长度短、直径大的玻璃纤维，但直径会随长度而变化，而且这种方法不易重复。真正的技术进步出现在 1887 年，当时查尔斯·弗农·博伊斯（Charles Vernon Boys）设计了一把微型弓弩，将一根加热的玻璃棒放在弩上。发射这支玻璃弓箭，形成了一条细长的熔融玻璃，冷却成为均匀而坚固的玻璃纤维。从机械上来说，这种玻璃纤维比相同直径的钢更加坚固。它比手工拉制的玻璃纤维更细、更透明，即使长度达到数米以上，直径也几乎不变。这支弓弩的射程只有几十米，但它使人们意识到了玻璃纤维的一些性质，并对其加以测量。光纤因此得以在实验室内变为现实。
灵敏的镜式电流计是跨大西洋海底电缆系统的重要组成部分，用于检测摩尔斯电码信号的电脉冲。现在我们已经看到，衍生技术完全掩盖并取代了原来的系统。
更长的光纤
到了 20 世纪 60 年代，内窥镜检查的主要难题是对光纤包层，从而防止传输信号丢失。后来人们逐渐认识到，可以制造一种精密控制的光纤，纤芯具有较高的折射率，用来传输光线，同时外部包层的折射率低于纤芯的折射率。包层使光纤更坚固，防止表面与水蒸气发生反应，更重要的是，当光纤弯曲时，光不会逃逸。
使用光纤进行远程信号传输的可能性仍然遭到大多数美国大公司的完全否定。部分原因在于现有的光纤性能太差，但与此同时，这些公司正致力于信号塔之间的微波和无线电链路。他们认为可以在铺设于地下的金属管道内建造微波系统。由于战时需要以及军方对雷达的兴趣，人们对微波已有充分的了解，并建造了微波源和探测器。微波本身的问题是：（1）金属波导会造成极高的损耗，因此信号强度会衰减；（2）信号不能在急转弯处弯曲。为了解决这些问题，人们需要在许多阶段进行检测，放大信号或采用其他方式，每隔几百米对信号进行重复和增强。微波波导对失真、热效应和天气条件也很敏感，这些因素会影响传输微波信号的管道内的空气（和水蒸气）。从现在的角度来看，我们可能会感到奇怪，这种方法有这么多明显的问题，为何当时的人们依然对它热情高昂，坚定不移，并投入大量资金。
早期光纤中的光损耗与散射
最初几乎没有科学家认真研究与光纤相关的问题，更不可能相信光纤可以远距离传输信号。最显著的问题是，那个时期的玻璃纤维会非常迅速地降低信号强度，而且当时人们也不清楚如何制作长纤维并将它们连接在一起。人们认为，接头的制作极其困难。的确如此，现代光纤的直径几乎与人的发丝直径不相上下，传输信号的纤芯只有发丝直径的十分之一。电话工程师有时需在恶劣的天气下在室外进行维修，要精准对齐这样的两块玻璃纤芯，并且误差要低于 1%，似乎是不可能的。如今，这项任务依然不容易，只不过有了更加可靠和常规的方法。
引导光通过光纤，这个想法很简单，但在 1960 年，在人们能够制造出的第一类光纤中，光的吸收和散射会造成非常严重的损耗。即使使用质量最好的玻璃材料，每一米纤维都会导致信号强度降低 50%。对实验室演示来说，这是一种进步，但即使使用 10 米光纤在房间内进行通信，从光纤中射出的光也比输入光弱 1000 倍。当时还没有能够制造数千米光纤的技术，但这无关紧要，因为光在玻璃中大量损耗，根本无法传输信号。总的来说，人们需要一种光吸收能力是窗玻璃的 100 万分之一的材料。
通过窗玻璃也能看到光损耗现象，从玻璃较薄的方向（厚度为几毫米）进行观察，我们可能会认为，出现损耗仅仅是因为灰尘和表面反射。玻璃的折射率为 1.5，可见光在玻璃与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）。如前文所述，如果我们从边缘观察一片窗玻璃，会发现它的透明度明显降低，且略微呈现出绿色（因为玻璃中含有铁杂质）。反射损失并未增加，但即使玻璃的长度只有十几厘米，我们也能看到光吸收效应。对于信号传输所需的数千米光纤，这意味着信号会遭到破坏。
比窗玻璃（由多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作任何纤维材料，因为它虽然是可用的最透明的材料，折射率却非常低（约为 1.46）。人们尚未想到如何将它制作成纤芯，因为它需要一个折射率更低的玻璃包层。此外，许多实验主义者面临的一个限制是，要将一块接近熔化的硅棒拉成硅纤维，需要非常高的温度。二氧化硅的熔点是 1713 摄氏度左右。1960 年，能够实现这种温度的熔炉和坩埚材料较为罕见，相对简单的加热方法是使用氢氧焊炬。
不幸的是，当时的玻璃行业尚不了解限制玻璃传输的因素有哪些，因为人们并没有解决这个问题的需要。人们认为玻璃会吸收一定的光，这是因为制造玻璃的沙子中存在杂质，例如铁或其他金属，这一点没错。然而，二氧化硅等材料的一个优点在于，它只有一种简单的组成成分，即二氧化硅。这意味着它的成分或密度不太可能发生显著的变化，也就是说，不会出现散射位点。
散射与光的波长有关，这一点非常直观。在光学上，散射强度与波长的四次方成反比，因此波长为 400 纳米（即 400×10-9 米）的蓝光的散射强度是红光（波长 700 纳米）的 9.4 倍。蓝光和红光在散射强度上的差异符合我们所熟悉的日常现象，也解释了为什么天空是蓝色的。直射的阳光混合了太阳发出的所有辐射波，朝太阳的方向望去，可以看到强烈的、没有散射的黄光和红光。但从其他方向看到的光都已经过多次散射。由于波长较短的蓝光散射强度大于红光，因此天空的其余部分都是蓝色。
在长波光（波长大于能透过二氧化硅的波长）下，二氧化硅是透明的，散射程度较低，这也促进了对重金属氟化物玻璃的研究。人们投入大量精力来制造各种名为 ZBLAN 的材料。ZBLAN 玻璃是锆、钡、镧、铝和钠等氟化物组成的复杂混合物。虽然它们对长波光的吸收确实比二氧化硅好，但由于密度/成分不均匀而导致光散射，从而造成严重的损耗。对这种复杂材料进行研究，目的不是在接近 1.5 微米的波长下操作，而是移动到更长的波长下进行操作，例如 10 微米，这将使原本的散射损耗降低约 250 倍。事实上，ZBLAN 的成分变化很大，而且易碎，所以我们一直使用二氧化硅。
利用杂质取得进步
当时的现实与我们现在的认识截然不同，并且在 20 世纪 60 年代，人们关注的是如何制造和使用最透明的材料。为了减少光的吸收，必然需要清除金属和水等杂质。备选的最佳透明材料是二氧化硅，但正如前文所说，它的熔点极高，且折射率低于所有玻璃。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包层问题。这是一种明智的方法，因为它可以让我们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资金和支持。与以往一样，杂质有两种形式，有利的杂质与有害的杂质。这些有害杂质会吸收光，但如果只关注它们，就会忽视其他杂质的好处。
玻璃制造商在硅酸盐玻璃中掺杂大量其他氧化物（如硼、钠、钙等，以降低熔点或充当稳定剂以制造非脆性玻璃）或铅（以提高折射率）。这些都是众所周知的事实，因此对二氧化硅纤维也可以采用类似的方法。令人惊讶的是，人们并没有立即接受这一点。并非所有标准的玻璃掺杂剂都能与光纤用途兼容。例如，对于现代光纤所传送的红外线（波长 1.54 微米），硼会产生光吸收，但它适用于早期所传输的红色激光信号（波长接近 800 纳米，即 0.8 微米）。
由于数值范围非常大，图2显示了光纤中衰减损耗的模式。最低损耗值出现在波长接近 1.5 微米的位置，此时曲线出现最低波谷。早期的光纤只传输波长接近 1.3 微米的光，这受限于当时的光源和探测器选择，这个波段的光损耗也出现了一个波谷。现代材料比这里使用的示例更加透明。两个波谷之间出现吸收波峰，源于纤维中残余水的作用。图上的曲线变化很明显，但我们需要记住，影响因素是杂质（比如水），它可能只占玻璃的百万分之几。即使在损耗最大的波长下，它仍然是一种非常透明的玻璃，但我们要研究每千米的损失，而不仅仅是窗玻璃的厚度。
图2 光纤中衰减损耗的模式
二氧化硅中的硅可以用其他四价元素替代，例如钛或锗。较重的原子带有更多电子，这些电子会与光产生更多相互作用，从而使光的传播速度变慢，并提高折射率。一家美国公司早期生产的玻璃纤维中包含了一些钛，以提高玻璃的折射率。然而，用锗离子代替部分硅离子，尺寸更合适，离子键更匹配。锗也提高了折射率。因此，以锗硅酸盐玻璃作为纤芯，以纯二氧化硅作为包层，这样的光纤能够满足高折射率纤芯与低折射率包层的需要。我们认为锗是一种有益的掺杂剂，而非有害的杂质。
同样，熔点问题可以通过添加低熔点材料来解决。这些材料的化学性质可能与四价硅不同，因此未必能完全满足所有化学键。如果使用三价铝，则有必要再添加其他材料进行补偿，比如磷等五价材料，从而纠正材料中的电子态（也就是说，5 和 3 的平均值为 4，这与硅原子的共价键相匹配）。如果结合过程中出现错误，可能导致玻璃变色与光吸收。其中的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与金属杂质至关重要。我们需要认识到的关键事实是，只要不影响在应用中所需要的玻璃性质，就可以添加大量杂质。如今光纤中的“有害”杂质已被降至十亿分之一，这是宣传炒作和营销中所用的数字。对于为提高折射率而加入的大量锗或为调节熔化温度而加入的钠、铝或氟等只字不提。如果光纤中有光放大器和激光器，还需添加其他杂质（比如铒）。
虽然前沿科学可以描述长距离透明光纤的结构，但在限制与困难方面的细节和要求也在迅速升级。例如，纤芯和包层的折射率非常相近，例如 1.48（纤芯）和 1.46（包层）。较大的纤芯更容易导致信号激光耦合，但直径越大，产生的光学模式就越多，从而产生不同的传输速度，因为光的弹跳会增加路径长度并降低信号速度。对于脉冲编码信号，较大的纤芯直径会限制可用的脉冲速率。因此，解决方案的目标是缩小纤芯和使折射率在边界处呈阶梯变化。
光纤科学中的缺陷小结
对缺陷的作用进行总结，我们可以发现，在光纤材料的发展过程中，需要将玻璃的透明度提高至少 100 万倍。从很大程度上来说，这意味着要清除玻璃中的许多金属和水蒸气，这些金属和水蒸气都会吸收被传输的光，并造成光的衰减。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，也有助于形成抗拉强度大的玻璃。
许多知名人士和实业家未能理解光纤通信的潜力，对超前的技术和已牢固确立的技术存在严重偏见，资金不足，企业竞争，企业破产和极具破坏性的专利诉讼（参见杰夫·赫克特的《光之城》一书），上述这些都导致了一系列完全不同的社会缺陷。尽管我从事的是学术研究，但深入了解企业竞争、蓄意打压竞争对手、偏见和明显缺乏智慧的决策，也给予我极大的启发。这些问题当然也存在于学术界，但在平常的文献或科研教学中很少提及。对此我能得出的最积极的结论是，如果有足够多的人具有远见、魅力、销售技巧，并且勤奋工作，虽然需要付出巨大的努力，但终究会取得进步。
为了证明如何从缺陷中获益，我会引用一个最近发生的光纤传输的例子。当被掩埋的光缆发生变形时，例如由于重型车辆通过，地震、滑坡或地面撞击所造成的地面震颤，微小的光纤也会发生弯曲，致使光线向光源的方向折回，从而导致部分信号损失。显然，这个缺陷会干扰光通信。
然而，由于对通信容量的需求不断提高，光纤经常被淘汰和替换。但被淘汰的光纤系统仍会被保留。人们意识到，这些信号反射可以用来定位地壳活动。例如，一名地质学研究生塞莱斯特·拉贝兹（Celeste Labedz）发现了阿拉斯加光纤中的“噪声”，由此检测到一些冰川地震。拉贝兹并不是在阿拉斯加装设一个局部的地震传感器，而是利用光纤增设了多个传感器。此外，人们还利用光纤绘制海底断层带和地震图，收集有关大地震和火山爆发的预测信息。
作者简介
彼得·汤森（Peter Townsend），苏塞克斯大学物理学荣誉教授。他曾在9个国家工作，横跨学术界和工业界，涉及专业领域包括固体物理缺陷、离子注入、发光、玻璃、光电子学、癌症检测等。他发表了550多篇研究文章和8本书，并拥有马德里自治大学和保加利亚科学院的荣誉博士学位。
本文经授权摘自《缺陷之美 : 自然、科技与生存之钥》（中国科学技术出版社，2024年5月版）第七章《光纤通信》，有删改。
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