世界上第一根光纤，是谁造出来的？

作者：小枣君 

来源：鲜枣课堂（ID：xzclasscom）

1966年，就职于英国标准电信实验有限公司的华裔科学家高锟（K.C.Kao），联合他的同事乔治·霍克汉姆（G.A.Hockham），共同发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文。

论文标题

在论文中，他们明确提出，只要解决了玻璃纤维的纯度问题（减少杂质），就可以减少光信号在玻璃纤维中的衰减。

当衰减率下降到 20 db/km时，这根玻璃纤维，就可以用于实用型通信。

正在做实验的高锟

这篇论文，后来被视为光纤通信理论的奠基之作。它开启了光纤时代的大门，也改变了人类通信技术的走向。

现在我们都知道，这篇论文意义重大。但实际上，论文发布之初，并没有获得行业的认可。

当时，没有人相信高锟的结论。所有人都认为，高锟所设想的“没有杂质的玻璃”，是不存在的。

为了证明自己的理论，高锟造访了世界各地的玻璃工厂，试图寻求合作。

但是，这些工厂都拒绝了高锟。他们不打算进行深入研究，因为这种研究“无意义且耗资巨大”。

1966年的年底，事情迎来了转机。

一位名叫威廉·谢弗（William Shaver）的工程师，在英国伦敦的邮局研究实验室访问，看到了实验室介绍的光纤通信项目，产生了浓厚的兴趣。

威廉·谢弗所服务的公司，不是一家普通公司，而是美国历史最悠久的玻璃制造企业——康宁公司（Corning Glass Works）。

康宁公司成立于1851年。

据说，爱迪生发明电灯的玻璃灯泡，就是他们造的。

回到美国后，威廉·谢弗向公司高层汇报了自己的见闻，并强烈建议公司进行光纤研究。

威廉·谢弗的建议，得到了康宁公司高层的重视。很快，他们就低调启动了高纯度玻璃纤维的研发。

负责牵头这项工作的，是康宁公司的研发总监——比尔·阿姆斯特德（Bill Armistead）。

比尔·阿姆斯特德

他找来了公司物理学家罗伯特·毛瑞尔（Robert Maurer），配给他两名新入职的年轻研究员（化学家皮特·舒尔茨、实验物理学家唐纳德·凯克），从而组建了一个3人研究小组。

左起：

唐纳德·凯克（Donald Keck）

罗伯特·毛瑞尔（Robert Maurer）

皮特·舒尔茨（Pete Schultz）

作为小组组长的罗伯特·毛瑞尔，是一个颇具传奇色彩的人物。

罗伯特·毛瑞尔

他出生于1924年，年轻时参加过二战，获得过紫心勋章。战争结束后，他返回大学学习，拿到了麻省理工学院的低温物理学博士学位，并进入康宁公司工作（1952年）。

值得一提的是，1956年12月，他发表在《化学物理杂志》上的一篇关于“玻璃是冷冻液体”的理论论文，曾经被高锟那篇经典论文引用过，算是两人最早的交集。

3人小组正式启动研究后，就发现自己面对的是一项巨大的挑战。

当时，纯度最高的玻璃纤维，衰减率约为 1000 dB/km。想要将这个值减小到 20 dB/km，并不是50倍的关系，而是惊人的10的98次方系数关系。

枣君注：dB=10*lg(A/B)，表示两个数（A和B）的比值大小。A是B的2倍时，是3dB。A是B的1万倍时，是40dB。A是B的100万倍时，是60dB。

对他们来说，有两种可行的起步方案：第一，采用大量高纯度的光学玻璃。第二，熔融石英（SiO2，二氧化硅），因为石英可以做到高纯度。

第一种是比较成熟的方案，也是那时大部分同行选择的方案。但是，罗伯特·毛瑞尔独辟蹊径，选择了第二种方案。

事后他回忆道：“如果你做的事情与其他人所做的不同，你就有两个优势。一，你可能会在他们失败的地方取得成功。二，如果你失败了，会收集到他们没有收集到的信息。”

二氧化硅是一个纯度很高的材料。但是，它的熔解温度极高，需要1650℃。一般的烤炉，根本达不到这样的温度。

经过一番调查，罗伯特·毛瑞尔找来了化学博士弗兰克·齐马（Frank Zimar）帮忙。

弗兰克·齐马曾经为康宁早期的半导体项目建造了一个烤炉，可以实现2000°C的高温。

在弗兰克·齐马的帮助下，1967年，罗伯特·毛瑞尔的小组基于掺钛二氧化硅，拉出了第一根试验型单模光纤。经过测试，这根光纤的衰减仍然很高，但相比之前已有很大的改进。这增强了研究小组的信心。

后来，研究小组经过反复尝试，逐渐掌握了光纤预制棒的拉制技巧，还有烟灰沉积物处理等关键技术。他们制造的光纤，衰减率指标不断改进，逐渐逼近理论值。

3人小组的研究进展，被康宁公司严格保密。直到1970年5月11日，康宁公司基于已取得的成果，申请了两项专利。

第一个专利，是罗伯特·毛瑞尔和皮特·舒尔茨的“熔融石英光波导”，用于具有纯石英包层和掺杂石英芯的光纤。

第二个专利，是唐纳德·凯克和皮特·舒尔茨的“生产光波导纤维的方法”，涵盖了后来众所周知的内部气相沉积（IVD）工艺。

1970年7月22日，研究小组从6个不同成分的掺钛预制棒中，拉出6根光纤。

8月7日，他们对这些光纤进行测试。在测试一根29米长的光纤时，他们得到了一个惊人的衰减值结果——17 dB/km。这是有史以来第一次达到 20 dB/km的论文目标。

唐纳德·凯克激动地将这个数字记录在笔记本上，还写下了“Whoopee（哈哈的意思，表示兴奋）！”的字样。

29米的光纤长度较短，可能影响测试结果的准确性。为了更加严谨，8月21日，他们又拉出了一根210米的光纤，并进行测试。

当唐纳德·凯克的氦氖激光器进入光纤纤芯时，他惊讶地看到一道非常明亮的红色闪光。他意识到，这是来自光纤远端的菲涅尔反射。此时，他记录下了光纤衰减率的测试结果——16.9 dB/km。

终于，他们可以松口气了。世界上第一根符合理论的低损耗试验性光纤，正式诞生。

研究小组和他们的光纤成品（左下角）

1970年9月底，罗伯特·毛瑞尔飞往伦敦，在英国电气工程师协会主办的“导波干线通信”会议上，宣布了自己团队的研究成果，引起了整个行业的轰动。

后来，英国邮局实验室和标准电信实验室专门对他们的光纤进行测试，验证了他们的成果。

康宁的光纤研制成功后，并没有马上上市商用。因为，他们的光纤使用的是掺钛纤芯，还存在一些技术缺陷。

两年之后，1972年6月，康宁公司以掺锗纤芯代替掺钛纤芯，采用外部气相沉积 （OVD），制造出了一条损耗低至 4 dB/km的多模光纤。

这根光纤，不仅衰减更低，而且实用性更强，制造过程更为简单。

正在使用OVD法制作掺锗光纤预制棒的皮特·舒尔茨（1972年）

后来，因为经济衰退的原因，康宁公司的发展遇到了一些问题，影响了他们对光纤技术的商用推广。

为了筹措资金，在康宁公司董事长兼首席执行官艾默里·霍顿（Amory Houghton）的支持下，康宁光纤业务负责人查克·露西（Chuck Lucy）与多家通信公司进行谈判，签订了联合开发协议，分摊开发成本。

这些协议，加快光纤技术的商用落地。1976年，美国AT&T公司在亚特兰大安装了世界上第一个实验性光纤通信系统，长度约为1.25英里（约2000米）。

三年后，1979年，日本电报电话公司（NTT）研制出了 0.2 dB/km的极低损耗石英光纤。这个衰减值， 基本接近了散射的理论极限。

1980年，普莱西德湖冬奥会首次使用光纤电缆传输电视信号，取得了巨大成功。

再后来的故事，大家应该都比较熟悉了。

80-90年代，光纤技术迅速崛起，成为有线通信中重要的传输介质。进入21世纪，光纤更是全面取代金属线缆，成为整个通信网络的骨干底座。单根光纤所能传输的数据量，早已突破了TB/s级别。

如今，全球光缆年需求量超过5亿芯公里。这些光纤，传输着海量的数据，支撑着整个社会的发展，也为人类的文明进步，做出着巨大的贡献。