The Insane Engineering of Fiber Optics

1887年一位年轻物理教师把细玻璃棒固定在箭上，用自制弩射出，玻璃棒端部被烧成针头大小的熔融玻璃珠，拉出比头发丝还细的玻璃纤维，用来测量极小的力。

此后研究者发现玻璃纤维可弯曲传输光信号。1960年代电信业急需更大容量，有工程师设想用一根光丝同时传送全世界所有通话，但当时玻璃纤维光损耗极大，一公里后信号就无法解码，无人认为其实用，只有一人坚持，还被上司称为徒劳的追逐。

1960至1973年美国每日通话量从2.85亿次翻倍到5.76亿次，AT&T铺设新电话基础设施的花费接近NASA登月总花费26亿美元的三倍。当时通话主要靠铜线：电流为话筒供电，声音振动膜片调制电流，接收端再还原为声音。

一根电缆要承载多路通话，电话公司只保留300到3400赫兹的语音频段，把各路信号搬到不同频段实现频分复用，接收端再滤波分离。但频率越高，涡流越强，信号只能沿导线表面传输，电阻增大、损耗加剧；超过65兆赫后高频信号不到两公里就衰减殆尽。

香农-哈特利定理指出，提升信道容量最好的办法是增加带宽，而铜线已到极限。可见光频率高达数百太赫兹，但当时还缺足够强的光源。

1960年Ted Maiman发明激光，重新点燃光通信的希望，贝尔实验室工程师感叹其巨大带宽。但第二个难题是玻璃并不像看上去那么透明，只有少量光能穿过。激光发明一年后，一位贝尔实验室科学家奉命测量光纤损耗，其上司认为损耗低于每公里20分贝才值得做。

实测最好的光纤损耗为每公里1000分贝。用漏沙卡车比喻：每公里20分贝相当于100公斤只剩1公斤，即仅剩百分之一信号，铜线虽差尚可管理；而1000分贝相当于从可观测宇宙的质量只剩不到一个原子。要实用需改进10的98次方，看似荒谬，贝尔实验室因此放弃。

1960年高锟进入一家英国电信实验室，寻找更高频率的通信方式，但并非光纤。老板认为这是徒劳，实验室其他人也同意。高锟却反复追问玻璃为何损耗大、这些因素能否去除，还是材料固有；若是固有，光纤就没戏，否则还有机会。

光并非从侧面漏出，玻璃很擅长困住光。用丙二醇和绿色激光演示：光从高折射率介质射向低折射率介质时，入射角增大到临界角，折射光贴着边界，再多一点就全部反射回介质，即全内反射；临界角由斯涅尔定律令折射角为90度求得。两种介质折射率差越大，效果越强，丙二醇折射率1.43高于水的1.33，所以演示效果更好。

光需从高折射率进入低折射率，但空气边界一旦被触碰，光就会从侧面漏出。约在高锟之前十年，研究者意识到光纤需要两种玻璃：中间纤芯折射率高，外围包层折射率低，两者共同锁住光。这样光纤可被触摸、涂塑料、埋入光缆、弯曲，光仍沿纤芯传到另一端。

高锟认定损耗来自散射和吸收。玻璃冷却越快结构越不均匀，散射越多，即瑞利散射，无法完全消除。他估算散射损耗约每公里1分贝，远低于实测，故散射不是主因。

吸收源于电子能级，光子能量够跨带隙才被吸收。硅与氧结合后带隙约9电子伏，可见光可穿过，玻璃透明。但铁等杂质强烈吸收，去除后损耗可降到约每公里20分贝。

此时一切仍是理论，但足以让高锟行动。1966年他的团队发表论文阐述这些理论，结论是关键的材质问题虽困难但并非不可能。然而几乎没人关注，因为10的9次方倍的改进前所未有，且高锟并未实际测量玻璃损耗，缺乏具体证据，他需要证明。

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高锟要验证理论上的低损耗玻璃，选择测量当时最纯的熔融石英。它需在两千多摄氏度熔化，极难制造，他只有不到30厘米的样品，于是和同事花三年发明精密仪器。首次测量显示零损耗，实为损耗低到正负四分贝每公里的误差范围内。

高锟花数月调校设备，1969年报告熔融石英损耗低于每公里5分贝。贝尔实验室科学家称这给了所有人一记震动，这是首个实用测量，证明并非空谈。全球电信实验室纷纷资助光纤研究，但高锟只测过小样品，公里级低损耗光纤能否实现仍未知。

康宁研究员莫勒认为造实用光纤首要是选玻璃。多数实验室因熔融石英难加工而回避，康宁却掌握火焰水解法可制超纯玻璃。熔融石英折射率仅1.46为最低，找不到更低折射率的包层玻璃，唯独莫勒决定用它做包层，再给纤芯掺杂提高折射率。

莫勒选用钛掺杂玻璃做纤芯，虽在光传播处加杂质，但钛像硅一样与四个氧原子成键，不会太破坏玻璃结构。为做出完美纤芯包层截面，他请来陶瓷工程师彼得·舒尔茨和物理学家唐纳德·凯克。讲解者到玻璃研究所演示：把彩色玻璃棒浸入透明熔融玻璃，拉丝时截面保持不变，类似硬糖制作。

把玻璃放在表面会引入应力和杂质，悬空又会下垂变形，于是改用重力拉丝、表面张力维持，得到更直更均匀的纤维。拉丝工艺解决后，康宁团队面对最后难题：如何制作预制棒。舒尔茨和凯克决定从包层做起，用火焰水解法制钛掺杂二氧化硅烟灰，再设法均匀铺进纯熔融石英管内，熔化塌缩成实心棒。

烟灰总堆在一端，技术员从角落拿来吸尘器对着管背面吸，把钛掺杂二氧化硅气流吸过管中心均匀涂层。吸尘器没能幸存，他们改进装置调好气流。1969年整个夏天炉温极高，他们用一根根预制棒拉出数公里光纤测试各种成分，但都不够好：钛在高温下分解并吸收过多光，经氧气环境二次热处理后才见起色。

1970年7月22日，一根预制棒滑靠炉壁，凯克只拉到几米就毁了，他仍测试这段短光纤。激光射入纤芯后，光走到另一端反射回来，纤芯明亮。损耗为每公里17分贝，他在实验记录里写下「whoopee」，但光纤仅29米，远短于常规200米，他注明必须重测。团队重做预制棒，近一个月才得到210米光纤。

凯克独自留下测量，结果损耗为每公里16.9分贝，他写下QED，没有欢呼。莫勒发表结果后没人相信，电话公司要求亲眼查看。此后两年他们改用锗掺杂，可跳过二次热处理，损耗仅每公里4分贝且强度出色。凯克认为这是第一根真正实用的低损耗光纤。

1977年AT&T在芝加哥地下试验光纤系统，两年后日本团队把损耗降到每公里0.2分贝，成为至今的标准；1988年首条跨大西洋光缆铺设完成。

光缆传输电话的方式与铜线不同：音频波被采样成离散值并转成二进制，激光以每秒2.8亿次闪灭表示1和0，多路对话的比特像拉链一样交错，接收端按采样率与定时即可还原原始波形。

首条洲际光缆可同时承载四万通电话，是铜缆版本的十倍；数字信号让人意识到不止能传电话，文字、图像、视频都更易发送，最终汇聚成互联网，此后需求只增不减。

在Prysmian北卡罗来纳工厂，微波源点燃气体形成等离子体，在管内沉积薄玻璃层，经数千次往返可改变成分；随后加热让管壁靠表面张力塌缩成实心，再在外侧加硅并喷覆熔融石英，等离子炬温度约为太阳表面三倍。

预制棒被送到七层楼高的拉丝塔顶端，底部锥形尖端加热到两千摄氏度以上，熔融玻璃滴落成泪滴状料滴，随后被拉细到最终125微米，再进入下一层。

光纤冷却后浸涂两层保护塑料，在塔底以每秒50米以上速度卷绕到可容纳数百公里的大线轴上；成品测试损耗与强度，光纤比同粗细钢丝更强，之后被捆扎成更粗的电缆以防打结断裂，加入全球已铺设的八十多亿公里光纤网络。

有专家认为即便有光纤，没有放大器互联网也无法实现，放大器负责在长距离上增强信号，彻底改变了陆地和海底光纤的容量；若想看海底光缆与光纤放大器的视频可在评论区留言。

高锟的梦想走得比预想更远，他因相关工作获2009年诺贝尔奖，并称1990年代开始的信息革命离不开光纤，远超1966年最初设想时连1吉赫兹都只是奢望的水平；讲述者反复回到的一点是，高锟并非材料科学家而是电气工程师，正因是局外人才能提出没人问的问题、推动现状。

莫勒团队同样在用一个反直觉的想法：把东西做得看似更差，实际上却更好；正如高锟所问，未来还会有哪些前瞻者去梦想。视频由幕后世界级编辑、动画师、研究员和撰稿人完成，团队组织了与本期撰稿人Sulli的问答，可在描述里的newsletter中找到。