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。