看起來透明,不代表能傳幾公里

一片窗玻璃看起來透明,沿著側邊看卻會泛綠:光穿過的距離變長,某些波長就被吸收得更多。把同樣的材料拉成幾公里長的細線,問題只會放大。Veritasium 這次由 Henry van Dyck 主持,從銅線電話的容量限制,追到玻璃材料、低損耗光纖與現代工廠,說明網際網路背後的傳輸工程。

1960 年代,雷射提供了新的光源,但能發光不等於能把訊號送到遠方。電話公司需要的不是桌上會亮的玻璃線,而是光穿過很長一段之後,接收端仍能辨識的通訊媒介。

高錕先問:損耗真的是玻璃的極限嗎?

光纖用折射率較高的纖芯,配上折射率較低的包層,把光限制在裡面。但即使光沒有從側邊漏掉,仍會被玻璃吸收或散射。高錕與 George Hockham 在 1966 年的論文中指出,當時的高損耗不全是無法改變的物理限制;鐵等雜質才是需要排除的主要障礙。

高錕在 2009 年諾貝爾演講中回顧,研究估計散射損耗可以低至約每公里 1 dB,而把鐵雜質降到百萬分之一,有機會讓特定波長的玻璃損耗降到約每公里 20 dB。這是當時的材料目標,不是今天所有光纖的固定規格。高錕的關鍵不是發現玻璃能導光,而是區分哪些損耗來自材料本身,哪些可以靠製程改善。

玻璃要夠純,纖芯卻不能只追求純

Corning 的 Robert Maurer、Donald Keck 與 Peter Schultz 接下來得把材料做成真正的光纖。他們選擇高純度二氧化矽玻璃,卻遇到另一個問題:纖芯的折射率必須高於包層。團隊於是用純二氧化矽做包層,在纖芯裡加入鈦,提高折射率。去除會吸光的雜質,和加入能調整折射率的材料,是兩件不同的事。

1970 年 8 月 21 日,Keck 用 210 公尺的纖維重新測量,得到每公里 16.9 dB,低於當初的 20 dB 目標。但鈦摻雜光纖還需要後續熱處理,成品也很脆。1972 年,團隊改用鍺摻雜及外部沉積製程,做出最低損耗約每公里 4 dB、強度更好的纖維。低損耗只是必要條件,能製成夠長、夠強、可重複生產的纖維,才跨進實用。