60 年光纤：你看不见的光载体如何支撑现代世界的方方面面

(MENAFN- The Conversation) 想象一个没有互联网、电子邮件、流媒体服务或社交媒体的世界。想象一下，为了交流，你不得不写信或拨打旋转拨号电话给每个人。想象一下，你必须开车去商店购买任何东西。不可想象，对吧？

你可以感谢光纤带来的所有便利以及更多。在2026年，祝光纤60岁生日快乐。

作为一名从事光纤研究超过30年的材料科学家，我见证了光纤的实用性，以及科学家们如何努力改进它们。

什么是光纤？

光纤是细如发丝的玻璃纤维，能够限制并传递光。信息通过光的编码就是我们沟通、观看电影、购物和保持联系的方式。

为了在长距离上传递信息，光纤必须极其清晰。光纤透明性的魔力在于材料科学和制造的结合。当光沿着光纤传播时，逐渐有一部分光会散射到玻璃分子上并消失。在现代光纤中，这种损失是如此之小，以至于光可以传播数百英里，仍然可见。

以光的形式在长距离上传递信息，要求光纤像镜子一样工作。这样，当光纤弯曲时，就可以在角落处反射这些光点，就像在建筑物内部像电线一样排列。

光纤由一个内核和一个称为包层的外层组成，二者均由玻璃制成。保护塑料层包围这些玻璃部分，使光纤表现出惊人的强度。核心玻璃的折射率略高于包层。

你可以将折射率视为密度。密度更大的材料在其体积内有更多的原子或分子，因此光穿过它所需的时间更长。折射率衡量光在材料内的减速。

在这样的设计中，光经历“全内反射”，在核心和包层的界面上反弹。这个现象的一个显著特征是，构成核心和包层的玻璃都是透明的，但当它们夹在一起时，以某些角度撞击该界面的光会像完美的镜子一样反射。那么，这些特殊类型的玻璃是如何制作的呢？

简单的科学

在量子技术和人工智能的时代，有时复杂的东西最好来自简单。

为我们世界提供连接的光纤主要由二氧化硅制成，这也是沙滩沙子的组成部分。然而，尽管化学成分相同，沙滩沙子是由经过地质风化和海浪冲击的细小石英晶体组成的。这些自然的来源使沙滩沙子充满了可以吸收光的杂质。

制造商通过化学反应含有硅的气体与氧气反应，生成一种超纯的玻璃，称为光纤二氧化硅。所有这些都是通过一种叫做化学气相沉积的过程完成的，反应的气体形成几层玻璃并堆积成棒的形状。通常，纯二氧化硅用于构成核心和包层的层，尽管为了在核心获得更高的折射率，研究人员向二氧化硅中添加少量其他玻璃成分。最终的棒被称为“空白”或“预制件”。

这个包含核心和包层的棒随后被加热并拉成细纤维。想象一下在嘴里拉扯一团口香糖——那根细丝就像光纤，只不过科学家们慢慢地将大预制件放入炉中，并迅速拉出小光纤。

玻璃的另一个美妙之处在于，它随温度可控地软化。这使我们科学家能够可靠地从已经构建了核心和包层的预制棒中拉出光纤。

自1970年代以来，已经制造了数十亿英里光纤用于全球通信，所有这些光纤的直径为125微米——一百万分之一米，公差通常小于约一微米。

这种材料纯度和制造控制的水平使光纤成为现代的奇迹。然而，光纤并不总是如此先进——它们达到这种纯度和控制水平是需要时间的。

三重收敛

在大约10年的时间内发生了三件事情，为今天的光纤铺平了道路。

1960年，物理学家泰德·梅曼在其1950年代前身——微波放大器的基础上开发了激光。1966年，60年前，工程师乔治·霍克汉和查尔斯·考在测试各种材料及一些导光结构的透明性。他们确定，玻璃光纤理论上可以在至少一公里的范围内传输光。

虽然这个距离在今天听起来可能不太好，但当时其他通信系统的信号强度损失要大得多。

关键是要使玻璃足够干净。凭借这一发现，霍克汉和考开始了一场全球竞赛，制造超越这种透明度的光纤。

到1970年，康宁公司（Corning Inc.）的科学家们利用化学气相沉积技术制造出一根光纤，打破了考的记录。凭借这两种高透明度的光纤和更成熟的激光器以产生光脉冲，长距离光纤通信得以诞生。

从1970年至今，光纤的清晰度不断提高，现在已经清晰度提高了100倍以上，使网络能够连接整个世界。因“在光纤中传输光的突破性成就”，查尔斯·考获得了2009年诺贝尔物理学奖。

透过玻璃

玻璃让很多可见光通过——你可以通过窗户看到。但有趣的是，在人眼不可见的颜色（称为波长）中，它甚至更清晰。用于通信网络的光纤在约1.55微米的光波长下工作，大小是人类头发的50到100倍。处于这种红外波长下，光与二氧化硅玻璃的相互作用几乎可以忽略不计。

自1970年代以来，已经制造了数十亿英里光纤并在全球范围内安装用于通信。但该技术的小尺寸和轻量，加上其高强度、灵活性和透明性，使光纤在许多其他应用中也非常有用。

如今，光纤被用作地质事件（如地震）的传感器，作为基础设施（包括桥梁、道路和建筑物）的监测工具，以及在体内成像和激光治疗的导管。光纤还用作全球用于机械加工、制造、国防和安全的光纤激光器中的光源——仅举几例。

令人惊讶的是，几乎不与光相互作用的东西可以支撑我们大多数人类互动。光纤利用你看不见的光来实现大多数人无法生活的事物。