光纖背後無敵的工程

1887年，一位年輕的物理學教師 attaches 一根細長的玻璃棒接到箭的末端 並將其裝入他自制的十字弓中。 他將棒的一端燒至熔化，形成一個熔融的玻璃珠， 大致只有針頭大小 幾乎撐不住了。 然後他射出了箭。明亮 陽光灑進房間，閃爍在一根微小的玻璃纖維上。 在最薄之處，其厚度不足 小於人類頭髮直徑的十分之一。 現在，根據法律，我們不得在室內使用十字弓。 幸運的是，我反應很快。 真酷。看看這個。看看我們把它做得多薄。 物理老師正在使用這些纖維 測量極微小的力。 但在接下來的數十年裡，其他研究人員發現 另一種用途是發送光信號。 玻璃纖維即使在彎曲處也能傳輸光線。 看那裡。那是90度。 而在1960年代，電信業界迫切需要創新 為了以更佳的方式攜帶更多資訊。 正如一位美國工程師所說， 應該能夠傳輸所有的對話內容 同時在世界任何地方進行 一條光線之上。 但這些玻璃纖維非常糟糕。 光線淡到幾乎無法解碼訊號。 僅僅一公里後。 沒有人認為它們會實用。 除了一個人。 他自己的老闆稱他的夢想是一場徒勞的追逐。 但如果他是對的，如果他能證明纖維 光學實際上是可行的。 而且如果有人能進一步找出如何大量生產的方法， 最終，他們能夠連接各大洲。 這個倉庫裡有多少？ 這裡有數百萬公里之遙 我們每月都在持續推進這項工作。 太陽表面的溫度大約是它的三倍。 那太瘋狂了。 有一天，它可能會建造出互聯網。 1960年代時無法想像的一切。 但即使如此，電信公司仍希望 一個更好的通訊系統，僅用於電話通話。 從1960年到1973年，美國每日電話通話次數翻了一倍。 從2.85億增加到5.76億。 在同一段時期內，美國國家航空暨太空總署（NASA）將人類送往月球。 總共耗資260億美元， 雖然AT&T不得不花費幾乎三倍於此的金額。 安裝新的電話網絡設施。 他們就是無法跟上需求的步伐。 當時，電話訊號主要透過銅線傳輸。 現在想像一下，我正試著打電話給我的朋友格雷戈。 現在我一拿起，便立即有穩定的電流流過 供電用的電線 電話。當我說話時，我的聲音會震動 一個微小的膜片位於吹口處，用於調節氣流 電流越大，我發出的聲音就越響，電流的波動也越大。 而且我的聲音音調變化會影響速度的快慢 電流不斷波動。在格雷戈爾那一端， 電流到達揚聲器後，會被轉換回聲音。 現在這方法只適用於單一行上的單次呼叫， 但電信公司不會安裝電線。 每一棟房屋之間。 一條電纜需要承載多個通話，因此電話公司便加以計算 一個整齊的小技巧。 儘管人類能聽到高達20千赫的頻率，但實際上你真正能聽到的 只需要聽到300之間的那些聲音 以及3400赫茲，以理解他人所說的話。 因此，電話公司會捨棄高於4千赫的頻率， 或任何超出語音頻段的內容。 但如果所有人都在同一條線路上使用相同的0至4kHz頻段， 既然如此，所有的對話 會疊在一起，你就不會 能夠聽見你正在說話的人 至 幸運的是，我們可以轉換那些電信號， 因此，我的對話可以使用 0-4kHz，而另一個 人可以使用 4-8kHz， 如此一路沿著同一條銅線往下。 在另一端，濾波器將不同的頻率段分離出來， 就像收音機可以調諧到某一頻道一樣。 然後信號被移回下方， 在訊號到達喇叭之前，先經過 0-4 kHz 的範圍 聽起來就像平常的聲音一樣。 但隨著電話公司開始使用越來越高的頻率， 他們開始遇到問題。 那振盪的電流載體 訊 Pipeline 產生額外的欄位， 這裡用紅色表示的磁場， 以及稱為渦電流的小迴路電流， 如這裡以藍色所示。 現在，由於它們的形狀， 這些迴路會抵抗導線中心電流的變化。 並強化表面的變化。 但渦電流會隨著速度加快而增強。 訊號變更，若你想獲得更多電話來電， 你需要更多的頻段，而且頻段要越來越高。 頻率。因此，很快地，渦電流 強度足夠可以抵消振盪 在導線的中心。 但如果信號只能沿著導線的表面傳播， 其橫截面較小，因此電阻增加。 而且高頻信號無法 在被吸收之前會行進很遠的距離。 一時之間，電話公司都這樣做。 為繞過高損耗問題而增強信號 每隔幾公里。 但超過 65 兆赫後，高頻率的信號不到一瞬間就消失了。 兩公里，因此實在不切實際，無法使用。 以及信號功率之間的這種權衡 資料傳輸速率實際上早在1948年就已被發現。 香農-哈特利定理描述了最大 基於通訊通道的容量 根據信號功率、雜訊與頻寬， 或最高頻率與最低頻率之間的差異。 增加容量的最佳方法是增加頻寬。 但他們的銅已經達到上限了。 電信業界並沒有其他選擇。 但後來他們看到了光。 可見光的頻率在數百太赫茲之間。 正如貝爾實驗室的一位研究人員所說， 極高頻率的可能性， 因此頻率範圍也大幅擴展。 出現為一座華麗的伊甸園，永遠在前方引誘我們前行。 但如果要使用光，就會有兩個問題。 首先，光源的强度不夠，無法發出信號。 一盞燈泡無法產生足夠的電力。 根本就沒有任何選擇。 到了1960年，西奧多·梅曼發明了雷射。 一部能熔化鋼鐵的科幻武器。 一種威力可能超過核彈的死光。 那是一道光束。 這被稱為激光。 有一個流傳已久的笑話，說的是激光 一個尋找問題的解決方案， 但這並不完全正確。 這重新激發了對光學通信可能性的興趣。 正如貝爾實驗室的一位工程師所說，想想這所有的頻寬。 但他們無法解決第二個問題。 玻璃並不像看起來那麼清澈。 只有一小部分光真正穿過了。 事實上，激光發明僅一年後， 一位貝爾實驗室的科學家開始進行調查 光纖光纜 他的上司讓他檢查損失情況， 或者光信號在傳播過程中衰減的程度 穿越玻璃的旅程。 現在信號損耗是以分貝來衡量的。 類似於測量音量的方式。 兩者均採用對數尺度。 然而，雖然音量使用聲壓，損耗則使用信號功率。他 老闆說，只有在虧損的情況下才值得這麼做。 小於每公里20分貝 因此，它與銅相當。 但當他檢查最佳纖維的損失時， 一千分貝每公里。要理解那究竟有多嚴重， 想像一輛漏沙的卡車，載著沙子行駛一公里。 如果卡車出發時有百公斤，最後卻只剩下一公斤， 這代表每公里損耗20分貝。 那僅僅是信號的百分之一 左邊。這正是銅的情況。 糟糕，但尚可應對。損失一千分貝 一公里就像是從可觀測宇宙的質量開始計算一樣。 並以少於……結尾 單個原子的質量。為了實用性， 我們需要將這些纖維的性能提升十倍。 聽起來不可能，它必須是其中之一。 最荒謬的工程改進 在歷史上。 因此貝爾實驗室放棄了，光纖光學或許也將如此。 如果沒有，他們當時就已經死在那裡了 一個人。 查爾斯·考。 1960年，他開始在一家英國電信實驗室工作。 那是在尋找一條出路 與較高的頻率溝通。 但不是用光纖。 高的老闆說這是一場徒勞無功的追尋， 實驗室的其他成員也同意。 但高一直反覆回到這個問題，問道：為什麼玻璃的損耗這麼大？ 我們能否消除這些因素，還是它們是材料本身固有的？ 如果是後者，那麼纖維將會徹底失敗。 但如果不是這樣，那麼也許還有機會。 所以問題是，為什麼損失會這麼高？ 嗯，你可能會覺得這 因為光線正從這根光纖的側面逸出。 但玻璃非常擅長捕捉光線，即使經過彎曲也一樣。 情況是這樣的。 我這裡有一桶丙二醇和一支綠色激光器。 當我撕掉膠帶時 激光反射了一次、兩次、三次。 而且有兩件事在共同作用。 這裡確實能捕捉光線。 你看，光在某些材料中的傳播速度比在其他材料中慢。 並且以波的形式傳播，這裡以波峰的線條表示。 光束始終垂直於該線。彼ら 當波動以一定角度遇到邊界時， 波峰的一端首先進入新材料中。 而且它在其他事物之前改變了速度。 如果光在這種新物質中傳播得更慢， 然後那一端就會被拖在後面。 而光束會偏離邊界發生彎折。 它彎曲的程度取決於它撞擊邊界的角度。 以及每種材料減速的程度 光線的偏折程度由其折射率來描述。 這種關係由 斯涅爾定律。現在，如果光線正在移動 從折射率較高的材料中， 轉換為較低的指數，例如丙二醇與空氣之間的轉換 那麼，波動的一個部分 波峰速度加快，光束向邊界彎曲。 但隨著你增大角度， 光線在折射時，折射光束會越來越靠近界面。 直到它順利運行為止 那是臨界角。 再多一點，所有的光都會反射回乙二醇中。 那是全內反射。 而你通過設置可得到精確的臨界角 折射角為90度 然後重新排列斯涅爾定律。 關鍵在於，折射率的差異越大， 這效果越強大。 如果我這兩個之間有非常微妙的差異， 因此，發生的彎曲量將會較小。 你可以用水做同樣的示範。 但丙二醇的效果略好一些，因為它的沸點較高。 折射率為1.43，相較於1.33。 看，一旦液體下降到足夠低的位置， 水流的角度要更尖銳。 光芒穿透水流。 但它仍被困在丙二醇中。 而且如果你使用一個更高級的 折射率，例如玻璃類型 Kao 正在調查，那麼關鍵在於 角度進一步減小。 這能讓光信號在更急的彎道中被捕捉住。 好的，但光必須移動 從高折射率到低折射率。 空氣一直運作到有東西接觸到玻璃為止。 如果你擾動那道界限，光就會從側面洩漏出來。 大約在高之前十年， 研究人員意識到，一根光纖需要具有兩種玻璃。 中間、核心部分的折射率較高。 而周圍還有一層玻璃在旋轉， 包層，具有較低的折射率。 他們一起將光線困住。 現在這根纖維可以觸摸，並塗上塑膠。 埋在電纜裡，彎繞著各種物體， 光仍會繼續向前傳播 核心穿過，從另一端出來。 因此，高知道如果高損失不是 從邊緣漏出的光線， 好吧，它必定來自別處。 他與材料科學家和玻璃專家交談過， 但似乎沒有人知道真正的原因是什麼。他繼續尋找著。 最終，他找到了兩個可能的來源， 散射與吸收。 如果你讓光線穿過一塊完美的水晶 那是透明的，接下來會有 一點點反思， 但幾乎所有的電磁能量將會繼續前行 向下與起始方向相同。 但玻璃並不是一種晶體固體。 基本的構建單元是二氧化矽，或稱矽 dioxide。 一個矽原子與四個氧原子相連。 在四面體中，一種金字塔形狀。 在玻璃中，金字塔的角落相互連接。 因此，每個氧原子都與 另一種矽。 這就是為什麼它被稱為二氧化矽。 每兩個氧原子對應一個矽原子。 這是一種無定形固體。 與晶體不同，它的原子沒有長程有序結構。相反地， 其紊亂的液態結構在冷卻時被固定下來。 按照完全相同的排列方式 根據玻璃類型和冷卻速度而定。 例如，如果你將玻璃急速冷卻， 結構在較高的溫度下鎖定。 最終的固體有許多密集區域， 較密集的會再輻射出比稀疏的更多的光。 光線散射，這會削弱信號。 這稱為瑞利散射， 而且你無法完全消除它。 但如果你緩慢冷卻玻璃， 那些金字塔有更多時間沉降並均勻地緊密結合。 結構在較低溫度下鎖定，光線散射也較少。 但高需要知道最小的散射量。 是每公里10分貝？100分貝？還是1000分貝？他需要 具體的事物。 最後，他偶然發現了一篇由康寧公司的科學家羅伯特·莫雷爾撰寫的論文。 以及測量雷利散射的葛拉斯 跨越多種玻璃類型與冷卻速率。 高使用他的計算來估計 如果玻璃的結構在1000°C時被固定， 它的散射損耗約為每公里1分貝。 他感到驚訝。他原本預期的是散射損耗。 隨著溫度férence 這正是導致密度波動更為顯著的原因。 但與其他玻璃相比，1000°C 算是很高的溫度了。 類型。因此，散射不可能是原因 那些瘋狂的高損失。吸收必須要 問題在於此。但高並不知道具體是什麼 正在吸收如此多的光。 是玻璃本身，還是其他東西？ 好吧，吸收的作用原理是這樣的。 在單個原子中，電子位於分立的能級上， 而且上面通常會有一些空隙。 但將原子聚集成為固體， 而這些能級則擴展成被間隔區分的寬廣譜帶。 現在，當光線照射到表面時， 它可以將電子激發至更高的能帶， 但前提是光子的能量必須至少達到這個能隙大小。 如果確實如此，光子就會被吸收。 最終，它會將這股能量以熱能的形式釋放出來。 在矽之類的材料中，這個能隙非常小。 僅約1.12電子伏特。 可見光的範圍在 1.63 到 3.26 之間。 它充滿了能量，因此被吸收了。 這就是為什麼純矽對我們來說看起來是不透明的。 但玻璃中的矽與氧原子相連接。 這會對共用的電子產生更大的吸引力。 現在，要激發一個電子需要更多的能量。 能隙大得多，約為9電子伏特。 可見光的能量不足，因此會直接穿過。 這就是為什麼玻璃在我們看來是透明的。 但大多數玻璃類型並非純矽。 玻璃的原料，包括沙子、蘇打、石灰及其他成分， 嗯，它們含有雜質，例如微量金屬。 而這些金屬吸收的光比二氧化矽多得多。 玻璃中最具破壞性的雜質之一是鐵。 在玻璃結構內部，鐵原子形成正離子。 強烈吸收紫藍色及紅外線波長。 在可見光譜中， 不純的玻璃對綠光的吸收較少。 甚至在普通的玻璃板上也能看到這種現象。 從邊緣望去， 光沿著玻璃的整個寬度傳播。 因此，當它到達你的眼睛時，只剩下綠光。 因此，如果你能觀察到僅幾厘米後的衰減， 想像一根玻璃纖維試圖傳導光線 幾公里又幾公里。 怪不得它會出現瘋狂的虧損。 高又與更多專家交談了。 估計若沒有這些金屬離子，損失將降至 約20分貝每公里，與銅線相當 僅僅是去除雜質而已。一切都已經完成了 理論上而言，此時此刻，但這已足夠讓高感到滿意。 1966年，他的團隊發表了一篇關於他們的論文 理論，最後得出結論：「……關鍵的物質問題顯現出來」 一個困難但 「並非不可能。」但沒有人真正重視他的論文。 因為這實在看起來不可能。 提升了一千萬億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億億 高並未實際測量玻璃的損耗。 他什麼具體的東西都沒有。 所以他需要證據。 高需要證明他理論上的低損耗玻璃 確實是可能的。 因此，他決定測量人類有史以來製造出的最純淨的玻璃， 菲西利科 現在玻璃製造商之所以加入所有 那些額外的成分 將沙子的熔點降低至約1400攝氏度。 但熔融石英是純矽 dioxide， 在超過2000攝氏度時熔化。 所以製作起來困難得多。 這意味著高很難得到其中的大部分。 測量損失通常需要數百 數公尺的電纜，甚至數公里。 但他只有長度不到30公分的碎片。 要衡量如此微小之物的損失， 他和他的同事發明了一種新型的、非常精確的儀器。 高在接下來的三年裡都在致力於這項工作。 但當他終於測量樣本時， 他發現熔融石英的損耗為零。 這不對。 高在慌亂中再次進行了他的實驗。 結果發現損失低得驚人 在他們的誤差範圍之內。 每公里僅有正負四分貝。 他花了數個月的時間不斷調整他的裝備， 並於1969年最終報告稱，熔融石英具有 每公里損失不到五分貝。 這下子引起了所有人的注意。貝爾實驗室的一位科學家說： 高給所有人一個驚嚇。那是第一次 實際測量顯示， 嘿，你可不是在吹牛而已。 現在每個人都感興趣了。 全球各地的電信實驗室紛紛加速資助光纖電信團隊。 但高僅僅使用過小樣本進行過研究。 沒有人知道數公里的低損耗光纖是否真的可行。 這個問題引起了羅伯特·莫爾的注意， 康寧研究員暨作者 高所提及的散射紙張。 要製造一種實用的纖維，他發現有三個主要問題需要解決。 首先，他需要決定使用哪一隻玻璃杯。 他可以嘗試提純普通玻璃的原料， 或者他可以嘗試使用熔融石英， 高已經證明其純度非常高。 大多數實驗室都在避免使用熔融石英 因為它難以處理。 但幸運的是，康寧公司有一項秘密技術。 在1930年代，另一位康寧科學家 將四氯化矽氣體通入氧氣火焰中。 在高熱下，火焰中的水蒸氣 會分解四氯化硅 生成氯化氫氣體和二氧化矽。 後者隨即開始一塊塊地拼接起來 一種細膩、玻璃質的二氧化矽粉末。 然後粉末將被壓製成形 並熔化製成熔融石英。 康寧是全球少數採用此技術的公司之一。 稱為火焰水解法，以製造超純玻璃。 所以他們有 supplies， 但熔融石英存在一個更大的問題。 它的折射率為1.46，是所有玻璃中最低的。 但要使全內反射生效， 核心的折射率必須高於包層。 因此，如果莫勒想要使用熔融石英芯， 那麼，找另一個折射率較低的玻璃 至於外層護板，嗯，那會是一場噩夢。根本就不存在這東西。 因此，所有人都放棄了熔融石英，只有莫勒堅持著。他說， 我沒有理由認為熔融石英會更好。 但沒有人在做這件事。 如果你做了一些與大家都不一樣的事 正在做這件事時，你擁有兩個優勢。 當然，你可能會在他們失敗的地方成功，但即使如此 如果你失敗了，你將收集到他們無法收集到的資訊。 其他實驗室都在考慮使用 一塊熔融石英芯。畢竟，那裡才是關鍵所在。 光會傳播。但莫勒決定使用熔融石英作為包層。 然後他就能輕而易舉地 提高核心的折射率 透過添加一些雜質或摻雜劑。 我們所擁有的唯一一塊玻璃 摻鈦的，其折射率略高於熔融石英 玻璃。但那意味著需要添加鈦 就在光需要傳播的地方。 高努力證明玻璃可以純淨到足夠的程度疰 其他所有實驗室都在試圖去除雜質。 莫勒也想再加一些回去。 但他並非完全瘋狂。 與矽一樣，鈦 矽在玻璃中能輕易地與四個氧原子共享電子， 形成相同的金字塔形狀。 因此不會大幅破壞整體玻璃結構。 既然他已經有了這份樂譜， 莫勒必須解決第二個問題。 如何製作一根具有完美核心的微小纖維 以及包層的橫截面？ 為了協助，他聘請了另外兩位科學家， 彼得·舒爾茨，一位陶瓷工程師， 以及物理學家唐納德·凱克。 每次你發現問題時，你就派一個開發團隊去解決它。 把它擊潰，並讓它成真。 要理解他們的技巧， 我前往灣區玻璃學院參加了一些實作示範。 這裡，我們的指導老師亞倫， 拿著一根彩色的玻璃棒，然後將其浸入 一碗清澈的熔融玻璃中。 在光纖中，這個大型圓柱體稱為預製棒。 這裡有兩種顏色的玻璃。 我們有一個彩色的內核和一個透明的外層。 如果你希望你的內桿顯示為四分之一 你外圈的直徑 你剛才已經在預設中設定了那樣東西。 然後沿著你拉扯的整個長度， 橫截面將完全相同。 這與帶有圖案的硬糖的製造方式非常相似。 這種糖是一種無定形固體，就像玻璃一樣。 因此，這個過程是相同的，只是溫度較低。 這個方法有一個問題。 將玻璃靜置於此類マ表面會帶來 大量的壓力和雜質。 但當我試著把它懸在空中時，它就會下垂。 但話雖如此，由於這些動作，確實產生了壓力， 現在它是一塊彎曲的玻璃。 幸運的是，還有另一個選擇。 現在，重力正在幫我們拉動玻璃， 表面張力使它保持完整。 因此，我們現在得到的是一種更直且更一致的纖維。 太棒了。 在他們的繪圖技巧確定之後， 科寧團隊能夠解決最後的問題。 你實際上是如何製作預製坯的？ 好吧，既然不是從核心開始，再加裝外層護板， 舒爾茨和基克決定從包層開始，往內進行。 他們使用了火焰水解技術 製造摻鈦二氧化矽粉末， 或稱為灰燼。 接著，他們拿了一支純熔融石英管，試著將炭黑均勻地鋪開。 內部。如果他們能獲得一層均勻的層次， 那麼它們可能會熔化並使管子坍塌成一團 實心棒材，完美的預製坯。 但無論他們怎麼噴，煤灰總會聚集在一端。 因此，其中一位技術人員抓起 房角的一台吸塵器。 他們把它對準這根管子的後端， 並且吸進了一股摻雜鈦的二氧化矽流 玻璃從管子的中心向下延伸， 就像我們所希望的那樣塗上了。 真空並未在那項實驗中倖存下來。 但他們不斷調整新的配置，直到他們 氣流剛好掌握得恰到好處。 整個1969年夏天， 他們的爐火燃燒得比地獄還猛烈。 他們從一個又一個預製坯中拉出數公里的光纖。 測試各種組成成分， 但這些都不夠好。 鈦在高溫下正在分解 同時吸收過多的光線。 他們將完成的纖維進行了處理 在氧氣環境中進行第二次熱處理 在他們終於看到成效之前。 一年後，1970年7月22日 預成型件滑向爐壁 在凱克望遠鏡僅獲得幾米的光纖之後。 預製件被毀壞了。 但他還是決定試試看這段短纖維， 熱處理後。 當我將它滑過，雷射光照射到光纖的核心時， 突然間，我又感到一道光束射回我的臉上。 核心處明亮地照亮著。 而且花了一段時間才意識到那束光 正一路延伸到光纖的另一端 並反射到遠端再回到我的眼睛裡。 損耗為每公里17分貝。 我唯一能想到的詞…… 但纖維 比平常短得多 僅有29米，遠低於他們平常的200米。 他在筆記本上仔細地加上了一次必須重新測量的記錄。 團隊迅速重新製作了預成型件， 但要完成210米的光纖，幾乎花了一個月的時間。 終於在8月21日星期五的下午晚些時候完成了。 那是一個美麗的夏日，幾乎所有人都提早離開了。 但凱克不想再等了。 纖維如此脆弱，即使溫度稍有變化 週末期間可能會導致其無法運作。 如果你用粗俗的眼光看待它，它就會崩潰。 因此，他在實驗室裡孤獨地焦急地測量著損失。 每公里16.9分貝。 我說了QED，即証畢。 沒有，沒有恍然大悟。 莫勒在那年秋天發表了他們的研究成果。 正如舒爾茨所描述的，沒有人相信這件事。 所有電話公司都要求親眼見到光纖。 因此，莫勒用手攜帶了一個 將光纖纏繞成線圈，送往所有大型電話實驗室。 他會真的守護著 確保他們沒有剪下並保留部分。 兩年來，他們不斷完善自己的方法。 為了讓纖維更堅固， 他們改用鍺作為摻雜劑。如同鈦一樣， 它能輕易地與矽交換，同時提高折射率。 但與鈦不同的是 鍺纖維在高溫下並未分解。 因此他們可以省略第二次熱處理。 當他們首次製作出鍺纖維時， 盡頭被爐火的光芒照亮了。 即使它抵達底部並纏繞在一個大型鼓上。 纖維依然光亮。 我們不斷地繞啊繞，繞個不停 並盤旋著思索著，那光芒即將熄滅。 而且它從來沒有熄滅過。 損耗僅為每公里四分貝，且訊號強度極佳。 凱克認為，第一根真正實用且損耗極低的光纖。 到1977年，貝爾實驗室在芝加哥地下試驗了一套光纖系統。 兩年後，一支來自日本的光纖團隊到來了。 每公里僅損耗 0.2 分貝 至今為止的標準。光纖網絡持續發展 隨著首條跨大西洋光纖的發展而成長 1988年安裝的電纜。 而且它傳輸這些電話通話的方式與銅線不同。 音訊波形被分割或取樣成離散值 然後轉換為二進制 得到一長串的1和0。 然後激光一秒鐘亮起代表一，熄滅代表零， 每秒2.8億次。 這些光脈衝沿光纖傳播，但這還不是全部。 多次對話可能 現在被織在一起。 一個來自行 conversations 的位元，另一個來自行 conversations 的位元，如此類推。 像拉鏈一樣彼此嵌合。 只要接收方知道每次對話的時間點， 而且根據取樣率，他們能夠重建原始波形。 因此，這條首條跨洲電纜 可同時處理40,000次通話， 是之前銅版本的10倍。 這種瘋狂的能力開啟了一個全新的世界。 並且隨著數位訊號， 人們意識到，他們的溝通方式不再僅限於電話通話。 傳送文字、圖片和影片比以往任何時候都更容易。 所有為互聯網而積累的成果。 從那以後，需求只增不減。 這段影片，就這一個？ 是的。 50.477公里 要了解現代纖維是如何製造的， 我們參觀了普瑞斯曼的 北卡羅來納州的工廠 一切從預製件開始。 此微波源的每一次脈衝都會點燃氣體混合物。 一種沉積薄層的電漿 玻璃位於管子的內側。 而且你看到它變成紫色的時候， 那就是我們正在用這種氣體製造電漿的時候。 那麼這些沉積層的厚度是多少呢？ 你打算做幾次？你打算做多厚？ 數以千計的傳球。 幾千次，它都在做這件事。 每次我們都可能來回往返， 我們可以根據需要改變那樣的組成結構。 當所有內層完成後，管子的壁變得更厚了。 但中間仍有一道縫隙。 因此我們希望將該通道自身收縮。 因此我們會把它加熱。 我們有一個往復運行的爐子， 僅憑表面張力，它便自我坍縮。 有趣。我還以為你會像……把它拉出來之類的…… 所以我問了這個完全相同的问题。我說， 你是在抽真空嗎，還是什麼原因讓那東西縮小了？ 這其實只是一種玻璃現象，其中 分子正試圖互相拉近。 你把它加熱，玻璃的黏度就會降低，它就…… 現在他們需要在外部添加更多的二氧化硅 將預製件調整至正確的比例。 核心非常小，僅佔總直徑的7.2%。 而且你那裡有數千萬的C型等離子體噴流。 有二氧化矽的微粒正流入那道噴流中。 並有效地將其熔化，然後噴射到那根棒上。 哇哦。 那束等離子體炬大約是三倍 熱得如同太陽表面一樣。 等離子體總讓我著迷。這簡直荒謬至極。 預製完成後，它會被送到拉絲塔的頂部， 七層高處，開始製造纖維。 它真的看起來像某種蒸汽朋克風格的東西，你知道的？ 所有這些線圈，然後這塊熱玻璃往下掉。 預成型件的底部呈錐形收窄至尖端 並加熱至超過2,000攝氏度。 感覺這東西散發出一些熱氣。 收尾部分緩緩垂落到下方的地板上。 我們稱它為「果實」，但它看起來卻像一滴淚珠。 纖維略粗，因此會加以稀釋。 在通過下一級之前，最後的125微米。 我沒想到會這樣 如此暴力。 說出來。 如果這張圖紙， 向下拉至最終直徑 在如此短的時間內發生。 幾米之內，就稱它為吧。 幾米。 那你為什麼還需要六層樓呢？ 你必須先冷卻玻璃，然後才能塗上塗層。 如果你冷卻玻璃的速度太快， 它將會有殘餘應力，進而導致光學損耗和衰減。 纖維冷卻到足夠程度後， 它們被浸入兩層保護性塑膠塗層中。 在拉拔塔的底部， 纖維被纏繞在大型線軸上， 每個都能載運數百人 每秒超過50米，即數公里。 正是如此。 接著，對完成的光纖進行損耗和強度測試。 纖維的強度比相同粗細的鋼絲還高。 我想如果我試著這樣做…… 如果你只是那樣試著去玩，真的很難玩得起來。 首先，它只是滑落我的頭上。 那是一根表面有兩層塗層的玻璃纖維。 啊，只是手有點痛。 天啊。 是啊，不簡單。絕對不簡單。哎呀！ 但它對急轉彎很脆弱。 再緊一點。 再緊一點？ 看著發生的事。看看在它破裂之前，你能得到多少。 是的，因為角度太大，所以你可以把它弄斷。 但經過測試後，光纖會被捆綁並包裹成較粗的電纜。 使它更難打結和斷裂。 這些電纜將連接超過80億公里的距離 已安裝的光纖 傳輸全球資訊的載體， 為互聯網提供動力，讓你觀看這段影片。 但一些專家認為，即使攝取纖維， 沒有另一項關鍵發明，互聯網是不可能實現的。 放大器。這就是用來增強長距離傳輸信號的設備。 而且它徹底改變了陸地與海洋的光纖傳輸容量。 如果你想看一段關於海底光纜的影片 以及光纖放大器， 好了，請在評論中告訴我們。 至於曹，他的夢想比他以往所想的還要遙遠。 當他在2009年因相關工作獲頒諾貝爾獎時， 他說資訊革命 那從1990年代開始的可以 沒有光纖就不可能發生。這已超越了夢想。 1966年首次提出光通信的嚴謹概念， 即使一吉赫茲還僅僅是一種奢望。 對我來說，這個故事中有一件事一直讓我反覆思考 那是凱爾並非材料科學家。 他是一名電氣工程師，而這僅僅是開始。 因為他是一個局外人，所以他是這樣做的。 提出那些無人問津的問題。 他能夠推動現狀的改變，但他並非唯一一人。 莫勒團隊也在致力於一個極其難以理解的概念。 透過使某事看似更糟， 他們其實正在讓情況變得更好。 正如曹所说，誰知道還有什麼其他進步呢 思想家們將在未來夢想的事物。 誠然，他談的是頻寬。 但我認為這適用於任何地方， 讓人們能夠質疑事物為何是現在這個樣子的地方， 還是那確實是極限。 還有一件事，這些影片之所以能夠實現，完全是因為 由於我們團隊所完成的驚人工作 幕後團隊 我們擁有世界級的編輯人員、動畫師和研究人員， 以及讓這些影片得以製作的創作者們。 我們很樂意多關注他們的工作。 因此，我們安排了一場與作者的問答活動。 今天影片的主角是蘇利。 她談論了她所學到的迷人事物 在研究這個主題以及相關事物時 未能入選，但這些確實非常有趣。 因此，如果你想了解更多相關內容， 您可以在說明中訂閱我們的電子報 你可以在那裡找到她的問與答。