光纤技术发展回顾

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

什么是光纤？

　　光纤是由细如发丝的玻璃丝组成，它能够限制和传输光。我们正是通过光来传递信息、观看电影、购物以及保持联系。

　　为了远距离传输信息，光纤必须极其透明。光纤透明的奥秘在于材料科学和制造工艺的完美结合。当光沿着光纤传播时，一部分光会逐渐被玻璃分子散射而损耗。在现代光纤中，这种损耗非常小，因此光可以传播数百千米而依然清晰可见。

　　以光的形式远距离传输信息，需要光纤像镜子一样发挥作用。这样，当光纤弯曲时（例如，像电线一样在建筑物内布线时），它就能让光线绕过拐角反射。

　　光纤由一个内芯和一个称为包层的外部层组成，两者都由玻璃制成。保护性塑料层包裹着这些玻璃部件，使光纤具有极高的强度。芯玻璃的折射率略高于包层。

　　你可以把折射率想象成密度。密度越大的材料，单位体积内包含的原子或分子就越多，因此光在其中传播所需的时间就越长。折射率衡量的就是光在材料内部传播速度的这种变化。

　　在这种设计中，光会发生“全内反射”，即从芯层和包层的界面反射回来。这种现象的一个显著特点是，构成芯层和包层的玻璃本身是透明的，但当它们结合在一起时，以特定角度入射到该界面上的光会像完美的镜子一样反射出去。那么，这些特殊的玻璃是如何制成的呢？

一门简单的科学

　　在量子技术和人工智能时代，有时，精妙之处恰恰在于简洁。

　　连接我们世界的光纤主要由二氧化硅制成，而二氧化硅也是海滩沙子的主要成分。然而，尽管化学成分相同，海滩沙子是由微小的石英晶体组成，这些晶体经受了地质风化和海浪的冲击而粉碎。这些天然成分使得海滩沙子中含有能够吸收光线的杂质。

　　制造商通过化学气相沉积法，使含硅气体与氧气发生化学反应，从而制造出光纤所需的二氧化硅，最终得到一种超纯玻璃。这一过程利用化学气相沉积法完成，反应气体在玻璃层中堆积，最终形成棒状结构。通常，构成纤芯和包层的层使用纯二氧化硅，但为了提高纤芯的折射率，研究人员会在二氧化硅中添加少量其他玻璃成分。最终制成的棒状结构被称为毛坯或预制棒。

　　这根包含纤芯和包层的棒状物会被加热并拉成一根细光纤。科学家们会缓慢地将粗大的预制棒放入炉中，然后迅速地拉出细小的光纤。玻璃的另一个优点是它能随温度可控地软化。这使得科学家能够可靠地从已经内置纤芯和包层的预制棒中拉出光纤。

　　数十亿千米的光纤已被制造出来用于全球通信，它们的直径都符合125微米（百万分之一米）的标准，公差通常小于1微米。

　　如此高的材料纯度和制造控制水平使光纤成为现代奇迹。但光纤并非一直如此先进——达到这种纯度和控制水平需要时间。

三重转折

　　大约十年间发生的三件事为如今的光纤技术铺平了道路。

　　1960年，物理学家泰德·梅曼在20世纪50年代微波激光器（maser）的基础上，研制出了红宝石激光器。1966年，工程师乔治·霍克汉姆和高锟测试了各种材料以及一些导光结构的透明度。他们发现，理论上，一根光纤可以传输至少1千米的光。

　　虽然这个距离在今天听起来可能不算远，但当时其他通信系统的信号强度损失要大得多。关键在于如何使玻璃足够洁净。有了这一发现，霍克汉姆和高锟开始了全球范围内的竞赛，力求制造出透明度更高的光纤。

　　到1970年，康宁公司的科学家们利用化学气相沉积技术制造出了一种光纤，打破了高锟创下的纪录。凭借这些高透明度光纤和更成熟的激光器（用于产生光脉冲），远距离光通信应运而生。

　　从1970年至今，光纤的透明度不断提高，如今已比以往提高了100多倍，使得网络连接了世界各地。高锟因“在光纤光通信传输方面取得的突破性成就”荣获2009年诺贝尔物理学奖。

透过镜子

　　玻璃可以让大量可见光透过——你只需看看窗外就知道了。但有趣的是，对于人眼不可见的颜色（称为波长），玻璃的透光性甚至更好。通信网络中使用的光纤的工作波长约为1.55微米，只有人类头发的直径的50到100分之一。在这个红外波长下，光与二氧化硅玻璃的相互作用微乎其微。

　　自20世纪70年代以来，全球已制造并安装了数十亿千米的光纤用于通信。但光纤技术的微小尺寸和轻便性，以及其高强度、柔韧性和透明度，使其在许多其他领域也大有可为。

　　如今，光纤被用作地质事件（例如地震）的传感器，用于监测桥梁、道路和建筑物等基础设施，以及作为体内成像和激光治疗的导管。光纤也被用作光纤激光器的光源，而光纤激光器广泛应用于全球的机械加工、制造业、国防和安全等领域——以上仅列举部分应用。

　　令人惊叹的是，这种几乎不与光发生相互作用的物质，竟能支撑我们人类生活中绝大多数的互动。光纤利用肉眼不可见的光，实现了大多数人生活中不可或缺的功能。 （逸文）