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低损耗光纤的诞生(二):17dB!内部气相沉积法拉

2020-04-12 10:52
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  在“光纤通信之父”高锟(Charles Kao)发现了玻璃能够应用于通信领域的前景之后,玻璃科学领域的专家们前仆后继,致力于将这一目标变为现实。最终,康宁的一个研究小组将理念变成了现实。本篇是低损耗光纤的诞生第二篇,讲述的是康宁科学家成功实现内部气相沉积法拉制。

  1968年1月Keck正式入职后,开始和Schultz尝试将玻璃拉制成光纤。但是,他们发现在加热玻璃并将其拉制成光纤过程中,氧元素会从掺钛的纤芯中释放出来,形成了可吸收光的Ti3+色心。对光纤进行热处理能够去除色心,但这个过程非常耗时,而且光纤也非常易碎。

  然后他们想到了另一种方法。单模光纤不需要太多的玻璃作为纤芯,所以他们决定将掺钛的硅粉末沉积在一根经抛光的纯硅管中来制作纤芯,然后将管热缩成玻璃,并最终把它拉制成光纤。他们将管子安装在Schultz实验室的车床上,并将火焰水解燃烧器对准旋转的管子。然而,当他们点燃燃烧器时,所有粉末都沉积在6毫米孔的两端,而不是沿管子均匀沉积。

  他们需要一些东西把粉末从管子中吸出来。环顾实验室后,他们注意到了角落里存放的一个旧真空吸尘器。二人把吸尘器连接到装置上并再次尝试,这一次真空吸尘器成功地把粉末吸进了整个管子。虽然这些沉积物还不足以制造出优质的光纤,但最终,Keck和Schultz改进了气体流动系统,使其能够均匀地沉积在管内,以便拉制出光纤。

  大约在1977年,在AT&T亚特兰大工厂的试生产设施中,技术员Mike Hyle从预制棒中拉制出光纤。对预制棒的顶部进行加热使其软化,然后将熔融玻璃从底部拉出,在此处冷却并缠绕到线轴上。【贝尔实验室/阿尔卡特-朗讯美国公司,由AIP Emilio Segrè视觉档案馆提供,《今日物理》收藏】

  Keck把预制棒带到Zimar的实验室,两人把预制棒安装在熔炉上,然后开始拉制光纤。Keck剪下一段新拉制的光纤,带回实验室测量其光学性能。之后,他又返回去调整拉丝炉,再剪下另一段光纤进行测量。

  从开始使用预制棒到取得最终结果,需要三个月的时间。Keck回忆道,1969年夏天,Zimar实验室里的熔炉还在运转,“实验室里酷热难耐。”尽管如此,研发小组仍然在继续工作、测量和学习。他们通过数据分析来确定纤芯中钛的最佳浓度。将新拉制出的、各种不同尺寸的光纤绕到卷筒上之后,研究人员发现50μm光纤会被粘住,250μm的光纤会出现断裂,因此Keck认为125μm最为合适,直到今天这仍然是光纤的一个标准尺寸。

  1970年初,康宁认为其光纤技术应该申请专利,因此于1970年5月11日提交了两份专利申请。第一份是关于Maurer和Schultz研发的“熔融石英光波导”,一种具有纯石英包层和掺杂石英纤芯的光纤。第二份是关于Keck和Schultz提出的“生产光波导光纤的方法”,后来被称为内部气相沉积(IVD)工艺。

  1970年7月22日,Keck和Zimar从六种不同成分的掺钛预制棒中拉制出了光纤。8月7日,在对第一根光纤进行热处理后,Keck对一根长29米、已断裂的光纤进行了测试。这根光纤的损耗创下新低,达到每公里17dB。Keck在笔记本中记录下这一数据之后,抑制不住内心的兴奋,写道“太棒了!”。

  考虑到长度较短的光纤精确度有限,Keck在笔记本上又谨慎地补充道“必须重新测量”。然后,他走进大厅,想要跟别人共同分享成功的喜悦,却发现那里空无一人,原来已经是星期五下午5点多了。就在他环顾四周时,电梯门突然打开,29岁的Keck认出从电梯中走出的正是实验室主任Amistead,于是Keck迫不及待地与Amistead分享了这个好消息。

  使用内部气相沉积法制造损耗低于20dB/公里的第一代光纤预制棒的设备。燃烧器产生的玻璃粉末沉积在旋转石英玻璃管的内表面,石英玻璃管由右上方的车床头固定。粉末变成了光纤的纤芯,而外管则变成了包层。将粉末通过管子吸出的真空吸尘器在图中未出现。【康宁版权】

  8月21日,Keck成功地对同一根光纤中210米的部分进行了热处理,并得到了更准确的结果。当他为测量做准备时,氦氖激光进入光纤纤芯,他惊讶地看到一道非常明亮的红色闪光。最后,他意识到这是来自光纤远端的菲涅耳反射现象。他记录下16.9dB/公里的损耗测量值,并添加了逻辑学家的结论“证明完毕(QED)”,从而验证之前的测量。每当回想起往事时,他都希望自己当时能够再添上一句常见的科学行话“我找到了!(Eureka!)”。

  Keck和Maurer撰写了一篇有关其光纤研究工作的论文,重点探讨损耗为60-70dB/公里、长数百米的早期单模光纤的弯曲和固有损耗,没有讨论有关材料和光纤加工的问题。随后,在11月15日论文正式发表于《应用物理快报》前,他们又增加了有关损耗“约20dB/公里”的光纤的内容。

  尽管Maurer没有透露康宁创纪录的光纤所使用的材料,但他欣然接受了英国邮局和标准电信实验室有关光纤测量的邀请。英国邮局是康宁的潜在客户,双方都拥有设施完善的实验室,可以独立地验证光纤的低损耗。很快,Maurer带着装在定制容器中的珍贵光纤返回了伦敦,他甚至还专门为这些光纤在飞机上预定了一个座位。

  英国邮局实验室测得的损耗为15dB/公里,这给研究人员留下了非常深刻的印象。但是,实验室的测试程序给Maurer带来了很大困扰,因为测试过程中需要截取几小段光纤。Maurer试图找回每一段光纤,并用胶带对它们进行固定,但最终还是遗失了一段,搜遍地板每一个角落也没有发现。

  Maurer离开后,邮局研究人员迅速停下手头的工作,并最终找到了那段具有特殊弯曲弧度的康宁光纤。他们本来以为英国泰坦公司的中子活化分析仪可以揭示出康宁光纤的秘密成分,但分析结果显示只有纯石英。

  康宁可以说是幸运地躲过了一劫。因为当时英国泰坦主要从事钛业务,实验室内钛污染严重,所以没能检测出康宁光纤中隐藏的少量物质。

  第一根低损耗光纤已经诞生,那么它又如何走向实用阶段,又如何生产低损耗的多模光纤?

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