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玻璃的藝術與科技:通訊用玻璃–沿著玻璃絲走遍全世界

95/10/16 瀏覽次數 19042
自古以來人類就一直尋求更有效率的訊息傳遞方式,無論是軍事、社會、文化、經濟都需要快速而準確的訊息交流。古代使用烽煙和烽火台傳遞邊疆軍情,就是一種遠距離通訊。19世紀初人類用電報和摩斯碼終於可以傳送較為明確的訊息,電話的發明更讓訊息的傳遞得到長足的進步,越洋電話纜線的架設使得地球村的概念逐漸興起。

通訊技術的進步刺激了社會各方面的發展,新的需求不斷地出現。在20世紀末原本只是傳遞聲音的電話,已經由類比信號轉換為數位信號,大幅提升音質的清晰度,但在訊號傳遞速率上則出現發展瓶頸。

由於電話用戶迅速增加,信號傳遞也由原先單純的聲音訊號,逐漸擴充為影音訊號與網際網路的大量資料訊號。如此一來,原本的銅纜線就出現無法負擔如此巨大訊號傳輸量的窘況。於是,隨著通訊市場的強烈需求,新的通訊技術和材料也就應運而生。玻璃光纖和無線通訊是當時被視為最有潛力的兩種方法,自從1960年代以來,這兩種訊號傳遞方法就一直處於既合作又競爭的態勢。

話說從前

1960年代正值美俄兩國冷戰時期,由於國防和經濟的需要,可以說是科技發展的重要年代。當時3種主要通訊方式,除了以銅纜為主的有線通訊外,已經大量使用無線電波和微波通訊,但都受制於信號頻率的問題而無法大量傳輸。由於銅線的電阻會隨頻率增加而升高,頻率增加也會使得類比信號的雜訊增加,因此銅線傳遞信號無法承擔大量資訊的傳遞。

光波的頻率大約是一般無線電頻率的1萬倍,因此可以傳遞的訊號量遠大於銅纜或無線電信號。拿玻璃光纖與傳統銅纜線做比較,大約2公噸的銅線所能傳遞的信號,僅需要0.5公斤的玻璃光纖就可以達成。目前最新研發的光通訊技術,可以使用1根光纖同時傳送6千萬通電話,這是百年前的人類無法想像的技術。

物理學家很早就提出可以用光學信號傳遞訊息的理論,但如果沒有一種可以傳遞光學信號的介質與光源,就無法實現光通訊的理想。自1960年代起,美國康寧玻璃公司、美國電話電報公司的貝爾實驗室、以及日本電話電報公司就陸續開發製造光纖的技術,而雷射技術也在同一時間開發出來,因此光通訊的兩大支柱終於出現,更多商業投資進入光通訊領域,加速技術開發。

具體落實光通訊的概念是在1980年代,全世界第1條商業化的遠距傳輸用單模光纖電話線路,是在1983年由美國MCI電話公司委託康寧公司所建造,當時1根光纖的訊號傳輸量約為1根銅線的6萬5千倍。

可用來製作光纖的玻璃

光纖的基本構造是由纖核(fiber-core)和纖殼(fiber-cladding)所構成,纖殼玻璃的折射率比纖核玻璃的低,當光在纖核內行進時,應用適當的光學原理使得光在纖核內不斷地進行全反射,並用這種方式把光學信號傳送至遠方。只要滿足基本光學原理並能組合成上述結構的玻璃纖維,都有可能成為製作光纖的玻璃。

製作光纖的玻璃必須純淨,除了故意摻入的雜質外,應儘量避免金屬離子的污染,盡可能降低光訊號行進時被玻璃本身所吸收的損耗。玻璃的化學成分也必須分布均勻,儘量降低缺陷,以避免造成過高的散射。目前用於製造長距離通訊用光纖的玻璃,是以石英玻璃為主。石英玻璃光纖的主成分是氧化矽(SiO2),再摻入不同分量的氧化鍺(GeO2)、氧化磷(P2O5)、氧化硼(B2O3)、氟離子(F-)等成分以控制纖核和纖殼的折射率。

光通訊用玻璃主要是製造成光纖,因此玻璃本身除了要有極佳的透明性外,耐用性也很重要,包括機械強度、耐侵蝕性、熱穩定性、抗結晶性等,都是需要考慮的重要因素。石英玻璃就是一種可以滿足上述各種性能的玻璃,雖然它的加工溫度高達攝氏1,800度以上,但在總體考量下,石英玻璃已經穩居光通訊用玻璃的領袖地位。

大家所熟悉的玻璃器皿、玻璃窗等都是在高溫熔融下製造成型的,但這種傳統熔煉玻璃的方式會在玻璃中留下過多的雜質,無法達到光通訊玻璃要求的純淨度。一般而言,光通訊用的玻璃中非人為摻入的雜質含量最好能在ppb的等級,因此製造光通訊用玻璃的方法也有所不同。為達到高純淨的目的,光通訊玻璃的製造是以化學氣相沈積法為主,原料可以在氣態時加以淨化,再經由化學氣相反應與熱加工形成玻璃坯棒後,把玻璃坯棒抽製成可以傳導光波的玻璃纖維。

目前以石英玻璃為主的光纖網路,主要是利用1.3 μm和1.55 μm兩個波長的光進行訊號傳輸。石英玻璃光纖在近紫外光區、可見光區、一直連續到近紅外光區都有很好的透明性,可以在0.35~2.0 μm波段使用。但離開這些波段,由於石英玻璃原子結構的關係,透明度降低,也就是光波在傳遞過程中會很快被吸收或散射而損耗掉。

在某些特殊狀況下,例如中紅外光區或其他特殊波段,需要使用光纖傳遞光波時,石英玻璃光纖就無法勝任,這時就需要選用一些特用光纖。特用光纖是指可以用在特殊波段的光纖,也可以是一些具有特異功能的光纖,因此所使用的玻璃材料也就有所不同。

創造光纖的特異功能

特用光纖隨著玻璃成分與微結構的不同,而展現各自的特異功能。例如硫硒玻璃可以用在波長大約5 μm與10 μm的紅外光區,氟化物玻璃可以用在波長2.5 μm的位置,這些紅外光纖在國防軍事與醫學上有很多應用。

在1990年代初期,摻鉺石英玻璃光纖被成功地開發成為光纖放大器,這項發明被喻為光通訊的第2次技術躍進。它不但大幅增加光信號的有效傳送距離,降低光電信號轉換次數,並使得光分波多工技術得以實現,而後者是建立網際網路高速處理信號的關鍵技術之一。

把稀土元素摻入不同的玻璃成分中,能發展出雷射玻璃和光纖雷射。前者已經使用於雷射引發核反應的發電技術,後者可製成高功率精密雷射,用於遠距離飛彈導引,或是次微米精密點銲和切割等用途,也可以用於精密雷射手術,在國防、半導體加工、醫學等領域中,是極具商業潛力的特用玻璃光纖。

下一次資訊技術大躍進

展望未來,光速網路將改變人類生活方式,玻璃將是光速網路的棟梁。摻鉺光纖放大器的發明,加速成就了今天的高速光纖網際網路,並且使全光學信號處理技術向前邁進一大步。目前科技界正全力發展全光學光信號交換處理器,如果成功發展出上述高速寬頻光信號交換處理技術,就有機會把目前的網際網路寬頻速率再提升10倍以上。屆時經由網路傳送的高畫質電視和網路影音電話,都會成為日常生活中的基本配備。

高速寬頻全光學信號處理技術與相關元件逐漸發展成熟時,也意味著光學計算機的發展又會向前跨進。藉由玻璃傳遞光學信號,光學計算機將因為使用比現有電腦更高的信號頻率,可以在更短的時間內處理更多的信號,屆時或許又會帶動另一波資訊革命。
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