光纖通信徹底改變了人們的生活方式,但它的發(fā)展并非坦途無阻,早期人們一度認(rèn)為光纖通信是不可能的。在少數(shù)人的堅(jiān)持下,并恰逢醫(yī)療和激光發(fā)展,看起來似乎互不相關(guān)的因素結(jié)合在一起,才使光纖行業(yè)獲得了發(fā)展機(jī)遇。而在具體技術(shù)上,理解玻璃中雜質(zhì)和缺陷的作用是其成功的關(guān)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(xiàng)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(shè)光纖。光纖通信已經(jīng)徹底改變了我們的生活與休閑方式,它并沒有提高電視節(jié)目的質(zhì)量,但它確實(shí)帶來了一場生活方式的革命。這些設(shè)想背后的科學(xué)理論早已確立,盡管許多領(lǐng)先的通信行業(yè)曾普遍認(rèn)為用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程通信是不現(xiàn)實(shí)的,但如今這些設(shè)想都已變成了現(xiàn)實(shí)。
能否克服技術(shù)上的困難,這在很大程度上取決于我們?nèi)绾卫斫獠Aе须s質(zhì)和缺陷的作用,以及如何設(shè)計(jì)光源和探測器,從而使光信號攜帶信息。人們之所以認(rèn)為光纖無法應(yīng)用于通信,其原因主要與光纖的歷史背景和科學(xué)有關(guān),同時(shí)我也必須強(qiáng)調(diào),光纖通信之所以能夠成功,是因?yàn)闃O少數(shù)人的專注研究,再加上恰逢醫(yī)療和激光發(fā)展的好時(shí)機(jī)。這些看上去互不相關(guān)的因素結(jié)合在一起,才使光纖行業(yè)獲得了發(fā)展的機(jī)遇。我非常欣賞杰夫·赫克特(Jeff Hecht)1999 年出版的《光之城》(City of Light)一書中有關(guān)科學(xué)進(jìn)步與相關(guān)人物魅力的精彩評論。
發(fā)送遠(yuǎn)距離光信號并非創(chuàng)新想法。在過去幾千年的歷史中,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(shè)道路時(shí)點(diǎn)燃烽火,在遠(yuǎn)處就能看到要在哪里修建一條筆直的道路。后來的英國人似乎忽視了這種特殊的信息傳輸技能,直到一千年后才在鐵路和高速公路建設(shè)中再次運(yùn)用。在古代中國和羅馬,以及后來的文明中,人們都會點(diǎn)燃高處的烽火來發(fā)送入侵者攻擊的信號。
通過控制煙霧噴射量來傳遞信號,以及通過日光反射信號器反射太陽光來傳遞信號,都可以將信息發(fā)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(jìn)展情況。光信號傳輸方法能夠傳遞更大量的信息,它通過間斷的脈沖進(jìn)行編碼,這正是現(xiàn)代二進(jìn)制數(shù)字信號傳輸方法,數(shù)字信號只有 0和 1 兩種。它是現(xiàn)代光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。雖然概念可能是相同的,但使用日光反射信號器時(shí),脈沖頻率為每分鐘幾次,使用光纖時(shí),脈沖頻率提高至每秒 10 億次以上。對光纖進(jìn)行的部分改進(jìn)在于,可以用多種不同顏色的光發(fā)送信號,波長選擇性編碼意味著在一根光纖上可以有 100 個(gè)不同顏色編碼的通道。
通過日光反射信號器反射太陽光可以在數(shù)英里內(nèi)被別人看到,但它們有一個(gè)缺點(diǎn),那就是依賴直線視野(而且只能在天氣晴朗的白天進(jìn)行)。為了對其進(jìn)行改進(jìn),并使光學(xué)傳輸達(dá)到通過電線傳輸電信號的便利性,需要三個(gè)基本組件。一是定向強(qiáng)脈沖光源,二是引導(dǎo)光線繞過拐角的系統(tǒng),三是靈敏的探測器。光纖兩端都需要用信號處理設(shè)備對信息進(jìn)行編碼和解碼。這些都是巨大的挑戰(zhàn),只有具備上述所有條件,從信號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內(nèi)彈跳。如果與光的波長相比,光纖的纖芯較大,則有多個(gè)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夸大了角度。對于通信光纖,高折射率纖芯往往非常小,因此實(shí)際上光只能以一種模式沿光纖直線傳播。
裸露的光纖表面會出現(xiàn)污垢和劃痕等問題,因此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(tǒng)中非常重要。聽起來似乎只是一個(gè)平平無奇的想法,學(xué)校里的理科學(xué)生都可以在沒讀過現(xiàn)代文獻(xiàn)的情況下想出這個(gè)解決辦法。但事實(shí)上,即使是頂尖科學(xué)家也有不完美之處,他們并未及早發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題,也沒有想到加保護(hù)性玻璃覆層這一簡單的解決方案,這不僅阻礙了光纖的發(fā)展,還意味著一些主要的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室放棄了這項(xiàng)研究。
醫(yī)學(xué)需要促進(jìn)玻璃纖維制造
我們現(xiàn)在制造的光纖長達(dá)幾十千米或幾百千米,但僅僅在 50 年前,我們還只能制造長度為幾米的光纖。從技術(shù)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(tǒng)的熱情很快就會消失殆盡。幸運(yùn)的是,醫(yī)學(xué)界在這方面給予了巨大的鼓勵(lì),因?yàn)獒t(yī)生不僅希望檢查患者身體表層的狀況,也希望檢查其內(nèi)部器官。在醫(yī)生首次嘗試窺視臟器(如胃)內(nèi)部時(shí),采用的是類似于吞劍的方式,通過口腔將一根管子和光源插入患者體內(nèi)。使用直徑較大的硬管來獲取內(nèi)部圖像,往往會造成災(zāi)難性的后果,許多患者在這個(gè)過程中受傷或死亡。因此死亡的病患比吞劍者還要多。令人驚訝的是,醫(yī)生們一直沒有放棄,因?yàn)樵谀莻€(gè)年代,即使這種方法存在明顯的醫(yī)療問題,醫(yī)生們也找不出其他外科方法幫助他們進(jìn)行診斷。
人們需要一種直徑小且能彎曲的內(nèi)窺鏡,許多研究者投入相關(guān)研究,試圖攻克這個(gè)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。加上這些器材以后,透鏡系統(tǒng)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(tǒng)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(xué)分離,那么每根纖維只從一個(gè)觀察點(diǎn)發(fā)送信號。比如說,50 根纖維可以提供 50 個(gè)點(diǎn)的圖像,與現(xiàn)代幾百萬像素的相機(jī)相比,這樣的成像效果極其糟糕,但它的確在硬管和透鏡方面做出了改進(jìn)。
先驅(qū)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,將光限制在纖維內(nèi),并且避免玻璃纖維/玻璃棒相互碰觸時(shí)出現(xiàn)光泄漏。如果人們用手觸摸過玻璃,光損耗會非常嚴(yán)重,因?yàn)槭种干系挠椭瑫?dǎo)致玻璃表面發(fā)生散射。最初,人們發(fā)現(xiàn),在玻璃表面涂一層金屬似乎是一個(gè)限制光線的好方法,但隨著光線多次彈跳,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(shí)都會損耗 15%的信號。對只有 10 次反射的短纖維來說,光的強(qiáng)度會降低 80% 以上(只剩下 20%)。
后來人們開始嘗試使用塑料外層而不是金屬鏡面。這些塑料涂層比金屬的吸收率低,但其結(jié)合的牢固度較低,且一些廢棄物會滯留在玻璃與塑料的交界面上,導(dǎo)致信號大量散射和損失。第一次真正的成功是使用非常干凈且經(jīng)過打磨和火焰拋光的玻璃棒。將其插入同樣干凈且經(jīng)過打磨的低折射率玻璃管中。對這一套裝置進(jìn)行加熱、軟化,然后將其拉成一根玻璃棒,最后得到一段半柔性的“纖維”,它可以將光線限制在玻璃內(nèi)芯中。將許多光纖的一端對齊,固定成一個(gè)光纖束,以此來傳輸圖像信息。這些設(shè)備非常受歡迎,因此形成了一個(gè)巨大的醫(yī)療市場,使人們對光纖的熱情始終不減。
醫(yī)學(xué)界和公眾所使用的語言并非全然相同。使用光纖來檢查身體內(nèi)部不需要手術(shù),因此這個(gè)過程被委婉地描述為“非侵入式”。但經(jīng)歷過這種檢查的朋友則用截然不同的詞(這里不便引用)來描述。非侵入式檢查也經(jīng)常會引發(fā)感染,這可能是因?yàn)槔w維系統(tǒng)很難進(jìn)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?yàn)?19 世紀(jì)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(jì),用來測量微小的電流。安裝在系統(tǒng)上的反射鏡可以使光束偏轉(zhuǎn),從而使線圈通電后引發(fā)的扭轉(zhuǎn)變得更加明顯。一種可以用于懸掛反光鏡的“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,但直徑會隨長度而變化,而且這種方法不易重復(fù)。真正的技術(shù)進(jìn)步出現(xiàn)在 1887 年,當(dāng)時(shí)查爾斯·弗農(nóng)·博伊斯(Charles Vernon Boys)設(shè)計(jì)了一把微型弓弩,將一根加熱的玻璃棒放在弩上。發(fā)射這支玻璃弓箭,形成了一條細(xì)長的熔融玻璃,冷卻成為均勻而堅(jiān)固的玻璃纖維。從機(jī)械上來說,這種玻璃纖維比相同直徑的鋼更加堅(jiān)固。它比手工拉制的玻璃纖維更細(xì)、更透明,即使長度達(dá)到數(shù)米以上,直徑也幾乎不變。這支弓弩的射程只有幾十米,但它使人們意識到了玻璃纖維的一些性質(zhì),并對其加以測量。光纖因此得以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
靈敏的鏡式電流計(jì)是跨大西洋海底電纜系統(tǒng)的重要組成部分,用于檢測摩爾斯電碼信號的電脈沖。現(xiàn)在我們已經(jīng)看到,衍生技術(shù)完全掩蓋并取代了原來的系統(tǒng)。
更長的光纖
到了 20 世紀(jì) 60 年代,內(nèi)窺鏡檢查的主要難題是對光纖包層,從而防止傳輸信號丟失。后來人們逐漸認(rèn)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(shí)外部包層的折射率低于纖芯的折射率。包層使光纖更堅(jiān)固,防止表面與水蒸氣發(fā)生反應(yīng),更重要的是,當(dāng)光纖彎曲時(shí),光不會逃逸。
使用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程信號傳輸?shù)目赡苄匀匀辉獾酱蠖鄶?shù)美國大公司的完全否定。部分原因在于現(xiàn)有的光纖性能太差,但與此同時(shí),這些公司正致力于信號塔之間的微波和無線電鏈路。他們認(rèn)為可以在鋪設(shè)于地下的金屬管道內(nèi)建造微波系統(tǒng)。由于戰(zhàn)時(shí)需要以及軍方對雷達(dá)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(dǎo)會造成極高的損耗,因此信號強(qiáng)度會衰減;(2)信號不能在急轉(zhuǎn)彎處彎曲。為了解決這些問題,人們需要在許多階段進(jìn)行檢測,放大信號或采用其他方式,每隔幾百米對信號進(jìn)行重復(fù)和增強(qiáng)。微波波導(dǎo)對失真、熱效應(yīng)和天氣條件也很敏感,這些因素會影響傳輸微波信號的管道內(nèi)的空氣(和水蒸氣)。從現(xiàn)在的角度來看,我們可能會感到奇怪,這種方法有這么多明顯的問題,為何當(dāng)時(shí)的人們依然對它熱情高昂,堅(jiān)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(xué)家認(rèn)真研究與光纖相關(guān)的問題,更不可能相信光纖可以遠(yuǎn)距離傳輸信號。最顯著的問題是,那個(gè)時(shí)期的玻璃纖維會非常迅速地降低信號強(qiáng)度,而且當(dāng)時(shí)人們也不清楚如何制作長纖維并將它們連接在一起。人們認(rèn)為,接頭的制作極其困難。的確如此,現(xiàn)代光纖的直徑幾乎與人的發(fā)絲直徑不相上下,傳輸信號的纖芯只有發(fā)絲直徑的十分之一。電話工程師有時(shí)需在惡劣的天氣下在室外進(jìn)行維修,要精準(zhǔn)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(xiàng)任務(wù)依然不容易,只不過有了更加可靠和常規(guī)的方法。
引導(dǎo)光通過光纖,這個(gè)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(yán)重的損耗。即使使用質(zhì)量最好的玻璃材料,每一米纖維都會導(dǎo)致信號強(qiáng)度降低 50%。對實(shí)驗(yàn)室演示來說,這是一種進(jìn)步,但即使使用 10 米光纖在房間內(nèi)進(jìn)行通信,從光纖中射出的光也比輸入光弱 1000 倍。當(dāng)時(shí)還沒有能夠制造數(shù)千米光纖的技術(shù),但這無關(guān)緊要,因?yàn)楣庠诓Aе写罅繐p耗,根本無法傳輸信號。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(xiàn)象,從玻璃較薄的方向(厚度為幾毫米)進(jìn)行觀察,我們可能會認(rèn)為,出現(xiàn)損耗僅僅是因?yàn)榛覊m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%(因此,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(fā)現(xiàn)它的透明度明顯降低,且略微呈現(xiàn)出綠色(因?yàn)椴Aе泻需F雜質(zhì))。反射損失并未增加,但即使玻璃的長度只有十幾厘米,我們也能看到光吸收效應(yīng)。對于信號傳輸所需的數(shù)千米光纖,這意味著信號會遭到破壞。
比窗玻璃(由多種金屬氧化物組成的硅酸鹽)更透明的材料是純二氧化硅(SiO2)。但人們最初拒絕用它制作任何纖維材料,因?yàn)樗m然是可用的最透明的材料,折射率卻非常低(約為 1.46)。人們尚未想到如何將它制作成纖芯,因?yàn)樗枰粋€(gè)折射率更低的玻璃包層。此外,許多實(shí)驗(yàn)主義者面臨的一個(gè)限制是,要將一塊接近熔化的硅棒拉成硅纖維,需要非常高的溫度。二氧化硅的熔點(diǎn)是 1713 攝氏度左右。1960 年,能夠?qū)崿F(xiàn)這種溫度的熔爐和坩堝材料較為罕見,相對簡單的加熱方法是使用氫氧焊炬。
不幸的是,當(dāng)時(shí)的玻璃行業(yè)尚不了解限制玻璃傳輸?shù)囊蛩赜心男?,因?yàn)槿藗儾]有解決這個(gè)問題的需要。人們認(rèn)為玻璃會吸收一定的光,這是因?yàn)橹圃觳AУ纳匙又写嬖陔s質(zhì),例如鐵或其他金屬,這一點(diǎn)沒錯(cuò)。然而,二氧化硅等材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于,它只有一種簡單的組成成分,即二氧化硅。這意味著它的成分或密度不太可能發(fā)生顯著的變化,也就是說,不會出現(xiàn)散射位點(diǎn)。
散射與光的波長有關(guān),這一點(diǎn)非常直觀。在光學(xué)上,散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比,因此波長為 400 納米(即 400×10-9 米)的藍(lán)光的散射強(qiáng)度是紅光(波長 700 納米)的 9.4 倍。藍(lán)光和紅光在散射強(qiáng)度上的差異符合我們所熟悉的日?,F(xiàn)象,也解釋了為什么天空是藍(lán)色的。直射的陽光混合了太陽發(fā)出的所有輻射波,朝太陽的方向望去,可以看到強(qiáng)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(jīng)過多次散射。由于波長較短的藍(lán)光散射強(qiáng)度大于紅光,因此天空的其余部分都是藍(lán)色。
在長波光(波長大于能透過二氧化硅的波長)下,二氧化硅是透明的,散射程度較低,這也促進(jìn)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 玻璃是鋯、鋇、鑭、鋁和鈉等氟化物組成的復(fù)雜混合物。雖然它們對長波光的吸收確實(shí)比二氧化硅好,但由于密度/成分不均勻而導(dǎo)致光散射,從而造成嚴(yán)重的損耗。對這種復(fù)雜材料進(jìn)行研究,目的不是在接近 1.5 微米的波長下操作,而是移動(dòng)到更長的波長下進(jìn)行操作,例如 10 微米,這將使原本的散射損耗降低約 250 倍。事實(shí)上,ZBLAN 的成分變化很大,而且易碎,所以我們一直使用二氧化硅。
利用雜質(zhì)取得進(jìn)步
當(dāng)時(shí)的現(xiàn)實(shí)與我們現(xiàn)在的認(rèn)識截然不同,并且在 20 世紀(jì) 60 年代,人們關(guān)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(zhì)。備選的最佳透明材料是二氧化硅,但正如前文所說,它的熔點(diǎn)極高,且折射率低于所有玻璃。解決這個(gè)問題的重點(diǎn)是去除所有雜質(zhì),然后再考慮后續(xù)的熔化和包層問題。這是一種明智的方法,因?yàn)樗梢宰屛覀兛吹讲牧贤该鞫鹊奶岣?。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資金和支持。與以往一樣,雜質(zhì)有兩種形式,有利的雜質(zhì)與有害的雜質(zhì)。這些有害雜質(zhì)會吸收光,但如果只關(guān)注它們,就會忽視其他雜質(zhì)的好處。
玻璃制造商在硅酸鹽玻璃中摻雜大量其他氧化物(如硼、鈉、鈣等,以降低熔點(diǎn)或充當(dāng)穩(wěn)定劑以制造非脆性玻璃)或鉛(以提高折射率)。這些都是眾所周知的事實(shí),因此對二氧化硅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(diǎn)。并非所有標(biāo)準(zhǔn)的玻璃摻雜劑都能與光纖用途兼容。例如,對于現(xiàn)代光纖所傳送的紅外線(波長 1.54 微米),硼會產(chǎn)生光吸收,但它適用于早期所傳輸?shù)募t色激光信號(波長接近 800 納米,即 0.8 微米)。
由于數(shù)值范圍非常大,圖2顯示了光纖中衰減損耗的模式。最低損耗值出現(xiàn)在波長接近 1.5 微米的位置,此時(shí)曲線出現(xiàn)最低波谷。早期的光纖只傳輸波長接近 1.3 微米的光,這受限于當(dāng)時(shí)的光源和探測器選擇,這個(gè)波段的光損耗也出現(xiàn)了一個(gè)波谷?,F(xiàn)代材料比這里使用的示例更加透明。兩個(gè)波谷之間出現(xiàn)吸收波峰,源于纖維中殘余水的作用。圖上的曲線變化很明顯,但我們需要記住,影響因素是雜質(zhì)(比如水),它可能只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
二氧化硅中的硅可以用其他四價(jià)元素替代,例如鈦或鍺。較重的原子帶有更多電子,這些電子會與光產(chǎn)生更多相互作用,從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產(chǎn)的玻璃纖維中包含了一些鈦,以提高玻璃的折射率。然而,用鍺離子代替部分硅離子,尺寸更合適,離子鍵更匹配。鍺也提高了折射率。因此,以鍺硅酸鹽玻璃作為纖芯,以純二氧化硅作為包層,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(rèn)為鍺是一種有益的摻雜劑,而非有害的雜質(zhì)。
同樣,熔點(diǎn)問題可以通過添加低熔點(diǎn)材料來解決。這些材料的化學(xué)性質(zhì)可能與四價(jià)硅不同,因此未必能完全滿足所有化學(xué)鍵。如果使用三價(jià)鋁,則有必要再添加其他材料進(jìn)行補(bǔ)償,比如磷等五價(jià)材料,從而糾正材料中的電子態(tài)(也就是說,5 和 3 的平均值為 4,這與硅原子的共價(jià)鍵相匹配)。如果結(jié)合過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,可能導(dǎo)致玻璃變色與光吸收。其中的具體細(xì)節(jié)可能有所不同,但這個(gè)例子說明了降低鍺硅酸鹽玻璃熔點(diǎn)的原理。
去除導(dǎo)致光吸收的水與金屬雜質(zhì)至關(guān)重要。我們需要認(rèn)識到的關(guān)鍵事實(shí)是,只要不影響在應(yīng)用中所需要的玻璃性質(zhì),就可以添加大量雜質(zhì)。如今光纖中的“有害”雜質(zhì)已被降至十億分之一,這是宣傳炒作和營銷中所用的數(shù)字。對于為提高折射率而加入的大量鍺或?yàn)檎{(diào)節(jié)熔化溫度而加入的鈉、鋁或氟等只字不提。如果光纖中有光放大器和激光器,還需添加其他雜質(zhì)(比如鉺)。
雖然前沿科學(xué)可以描述長距離透明光纖的結(jié)構(gòu),但在限制與困難方面的細(xì)節(jié)和要求也在迅速升級。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(dǎo)致信號激光耦合,但直徑越大,產(chǎn)生的光學(xué)模式就越多,從而產(chǎn)生不同的傳輸速度,因?yàn)楣獾膹椞鴷黾勇窂介L度并降低信號速度。對于脈沖編碼信號,較大的纖芯直徑會限制可用的脈沖速率。因此,解決方案的目標(biāo)是縮小纖芯和使折射率在邊界處呈階梯變化。
光纖科學(xué)中的缺陷小結(jié)
對缺陷的作用進(jìn)行總結(jié),我們可以發(fā)現(xiàn),在光纖材料的發(fā)展過程中,需要將玻璃的透明度提高至少 100 萬倍。從很大程度上來說,這意味著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?shù)墓猓⒃斐晒獾乃p。同時(shí),添加其他雜質(zhì)(有用的雜質(zhì),即摻雜劑)可以控制折射率、熔點(diǎn)和拉伸溫度,也有助于形成抗拉強(qiáng)度大的玻璃。
許多知名人士和實(shí)業(yè)家未能理解光纖通信的潛力,對超前的技術(shù)和已牢固確立的技術(shù)存在嚴(yán)重偏見,資金不足,企業(yè)競爭,企業(yè)破產(chǎn)和極具破壞性的專利訴訟(參見杰夫·赫克特的《光之城》一書),上述這些都導(dǎo)致了一系列完全不同的社會缺陷。盡管我從事的是學(xué)術(shù)研究,但深入了解企業(yè)競爭、蓄意打壓競爭對手、偏見和明顯缺乏智慧的決策,也給予我極大的啟發(fā)。這些問題當(dāng)然也存在于學(xué)術(shù)界,但在平常的文獻(xiàn)或科研教學(xué)中很少提及。對此我能得出的最積極的結(jié)論是,如果有足夠多的人具有遠(yuǎn)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(jìn)步。
為了證明如何從缺陷中獲益,我會引用一個(gè)最近發(fā)生的光纖傳輸?shù)睦?。?dāng)被掩埋的光纜發(fā)生變形時(shí),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(fā)生彎曲,致使光線向光源的方向折回,從而導(dǎo)致部分信號損失。顯然,這個(gè)缺陷會干擾光通信。
然而,由于對通信容量的需求不斷提高,光纖經(jīng)常被淘汰和替換。但被淘汰的光纖系統(tǒng)仍會被保留。人們意識到,這些信號反射可以用來定位地殼活動(dòng)。例如,一名地質(zhì)學(xué)研究生塞萊斯特·拉貝茲(Celeste Labedz)發(fā)現(xiàn)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(shè)一個(gè)局部的地震傳感器,而是利用光纖增設(shè)了多個(gè)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(guān)大地震和火山爆發(fā)的預(yù)測信息。
作者簡介
彼得·湯森(Peter Townsend),蘇塞克斯大學(xué)物理學(xué)榮譽(yù)教授。他曾在9個(gè)國家工作,橫跨學(xué)術(shù)界和工業(yè)界,涉及專業(yè)領(lǐng)域包括固體物理缺陷、離子注入、發(fā)光、玻璃、光電子學(xué)、癌癥檢測等。他發(fā)表了550多篇研究文章和8本書,并擁有馬德里自治大學(xué)和保加利亞科學(xué)院的榮譽(yù)博士學(xué)位。
本文經(jīng)授權(quán)摘自《缺陷之美 : 自然、科技與生存之鑰》(中國科學(xué)技術(shù)出版社,2024年5月版)第七章《光纖通信》,有刪改。
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