玻璃的藝術與科技：通訊用玻璃–沿著玻璃絲走遍全世界
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丁原傑｜
聯合大學材料科學工程學系
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。
