光纖通信徹底改變了人們(men) 的生活方式，但它的發展並非坦途無阻，早期人們(men) 一度認為(wei) 光纖通信是不可能的。在少數人的堅持下，並恰逢醫療和激光發展，看起來似乎互不相關(guan) 的因素結合在一起，才使光纖行業(ye) 獲得了發展機遇。而在具體(ti) 技術上，理解玻璃中雜質和缺陷的作用是其成功的關(guan) 鍵之一。

撰文 | 彼得·湯森（Peter Townsend）

翻譯 | 趙倩

在過去 70 年中，英國最大的土方工程項目不是修建通往法國的英吉利海峽隧道，而是在全國街道上鋪設光纖。光纖通信已經徹底改變了我們(men) 的生活與(yu) 休閑方式，它並沒有提高電視節目的質量，但它確實帶來了一場生活方式的革命。這些設想背後的科學理論早已確立，盡管許多領先的通信行業(ye) 曾普遍認為(wei) 用光纖進行遠程通信是不現實的，但如今這些設想都已變成了現實。

能否克服技術上的困難，這在很大程度上取決(jue) 於(yu) 我們(men) 如何理解玻璃中雜質和缺陷的作用，以及如何設計光源和探測器，從(cong) 而使光信號攜帶信息。人們(men) 之所以認為(wei) 光纖無法應用於(yu) 通信，其原因主要與(yu) 光纖的曆史背景和科學有關(guan) ，同時我也必須強調，光纖通信之所以能夠成功，是因為(wei) 極少數人的專(zhuan) 注研究，再加上恰逢醫療和激光發展的好時機。這些看上去互不相關(guan) 的因素結合在一起，才使光纖行業(ye) 獲得了發展的機遇。我非常欣賞傑夫·赫克特（Jeff Hecht）1999 年出版的《光之城》（City of Light）一書(shu) 中有關(guan) 科學進步與(yu) 相關(guan) 人物魅力的精彩評論。

發送遠距離光信號並非創新想法。在過去幾千年的曆史中，許多國家都曾使用過這種方法。入侵英國的羅馬人會(hui) 在鋪設道路時點燃烽火，在遠處就能看到要在哪裏修建一條筆直的道路。後來的英國人似乎忽視了這種特殊的信息傳(chuan) 輸技能，直到一千年後才在鐵路和高速公路建設中再次運用。在古代中國和羅馬，以及後來的文明中，人們(men) 都會(hui) 點燃高處的烽火來發送入侵者攻擊的信號。

通過控製煙霧噴射量來傳(chuan) 遞信號，以及通過日光反射信號器反射太陽光來傳(chuan) 遞信號，都可以將信息發送出去。在梵蒂岡(gang) 的選舉(ju) 中，仍會(hui) 用彩色煙霧來傳(chuan) 遞選舉(ju) 的進展情況。光信號傳(chuan) 輸方法能夠傳(chuan) 遞更大量的信息，它通過間斷的脈衝(chong) 進行編碼，這正是現代二進製數字信號傳(chuan) 輸方法，數字信號隻有 0和 1 兩(liang) 種。它是現代光纖數據傳(chuan) 輸的理想選擇。雖然概念可能是相同的，但使用日光反射信號器時，脈衝(chong) 頻率為(wei) 每分鍾幾次，使用光纖時，脈衝(chong) 頻率提高至每秒 10 億(yi) 次以上。對光纖進行的部分改進在於(yu) ，可以用多種不同顏色的光發送信號，波長選擇性編碼意味著在一根光纖上可以有 100 個(ge) 不同顏色編碼的通道。

通過日光反射信號器反射太陽光可以在數英裏內(nei) 被別人看到，但它們(men) 有一個(ge) 缺點，那就是依賴直線視野（而且隻能在天氣晴朗的白天進行）。為(wei) 了對其進行改進，並使光學傳(chuan) 輸達到通過電線傳(chuan) 輸電信號的便利性，需要三個(ge) 基本組件。一是定向強脈衝(chong) 光源，二是引導光線繞過拐角的係統，三是靈敏的探測器。光纖兩(liang) 端都需要用信號處理設備對信息進行編碼和解碼。這些都是巨大的挑戰，隻有具備上述所有條件，從(cong) 信號編碼到解碼的速度才能提高。

圖1 光可以在一塊玻璃或光纖內(nei) 彈跳。如果與(yu) 光的波長相比，光纖的纖芯較大，則有多個(ge) 可行的彈跳角度，稱為(wei) 模，寫(xie) 為(wei) m=0、m=1、m=2 等。此處為(wei) 了顯示效果而誇大了角度。對於(yu) 通信光纖，高折射率纖芯往往非常小，因此實際上光隻能以一種模式沿光纖直線傳(chuan) 播。

裸露的光纖表麵會(hui) 出現汙垢和劃痕等問題，因此解決(jue) 辦法是使用折射率較低的另一種玻璃包裹。這在光纖係統中非常重要。聽起來似乎隻是一個(ge) 平平無奇的想法，學校裏的理科學生都可以在沒讀過現代文獻的情況下想出這個(ge) 解決(jue) 辦法。但事實上，即使是頂尖科學家也有不完美之處，他們(men) 並未及早發現這個(ge) 問題，也沒有想到加保護性玻璃覆層這一簡單的解決(jue) 方案，這不僅(jin) 阻礙了光纖的發展，還意味著一些主要的工業(ye) 實驗室放棄了這項研究。

醫學需要促進玻璃纖維製造

我們(men) 現在製造的光纖長達幾十千米或幾百千米，但僅(jin) 僅(jin) 在 50 年前，我們(men) 還隻能製造長度為(wei) 幾米的光纖。從(cong) 技術上講，即使是中等長度的光纖，其製造難度也很大。如果那些又短又薄且具有柔韌性的玻璃棒毫無用武之地，人們(men) 對光纖係統的熱情很快就會(hui) 消失殆盡。幸運的是，醫學界在這方麵給予了巨大的鼓勵，因為(wei) 醫生不僅(jin) 希望檢查患者身體(ti) 表層的狀況，也希望檢查其內(nei) 部器官。在醫生首次嚐試窺視髒器（如胃）內(nei) 部時，采用的是類似於(yu) 吞劍的方式，通過口腔將一根管子和光源插入患者體(ti) 內(nei) 。使用直徑較大的硬管來獲取內(nei) 部圖像，往往會(hui) 造成災難性的後果，許多患者在這個(ge) 過程中受傷(shang) 或死亡。因此死亡的病患比吞劍者還要多。令人驚訝的是，醫生們(men) 一直沒有放棄，因為(wei) 在那個(ge) 年代，即使這種方法存在明顯的醫療問題，醫生們(men) 也找不出其他外科方法幫助他們(men) 進行診斷。

人們(men) 需要一種直徑小且能彎曲的內(nei) 窺鏡，許多研究者投入相關(guan) 研究，試圖攻克這個(ge) 難題，既嚐試用更加柔韌的管子和一係列透鏡來傳(chuan) 輸圖像，也使用玻璃纖維束。加上這些器材以後，透鏡係統變得非常笨重，且直徑大得驚人。在一根管子中使用直徑半英寸（1 英寸 =2.54 厘米）的玻璃透鏡係統來檢查前列腺問題，這光景聽起來比病情更糟糕。玻璃纖維束更加柔韌，直徑稍小。如果纖維可以光學分離，那麽(me) 每根纖維隻從(cong) 一個(ge) 觀察點發送信號。比如說，50 根纖維可以提供 50 個(ge) 點的圖像，與(yu) 現代幾百萬(wan) 像素的相機相比，這樣的成像效果極其糟糕，但它的確在硬管和透鏡方麵做出了改進。

先驅們(men) 意識到，他們(men) 不僅(jin) 需要非常透明的玻璃來傳(chuan) 輸光，還需要添加包層材料，將光限製在纖維內(nei) ，並且避免玻璃纖維/玻璃棒相互碰觸時出現光泄漏。如果人們(men) 用手觸摸過玻璃，光損耗會(hui) 非常嚴(yan) 重，因為(wei) 手指上的油脂會(hui) 導致玻璃表麵發生散射。最初，人們(men) 發現，在玻璃表麵塗一層金屬似乎是一個(ge) 限製光線的好方法，但隨著光線多次彈跳，即使從(cong) 胃部反射回玻璃棒中，大部分光線也會(hui) 損耗，金屬鏡麵在每次反射時都會(hui) 損耗 15%的信號。對隻有 10 次反射的短纖維來說，光的強度會(hui) 降低 80% 以上（隻剩下 20%）。

後來人們(men) 開始嚐試使用塑料外層而不是金屬鏡麵。這些塑料塗層比金屬的吸收率低，但其結合的牢固度較低，且一些廢棄物會(hui) 滯留在玻璃與(yu) 塑料的交界麵上，導致信號大量散射和損失。第一次真正的成功是使用非常幹淨且經過打磨和火焰拋光的玻璃棒。將其插入同樣幹淨且經過打磨的低折射率玻璃管中。對這一套裝置進行加熱、軟化，然後將其拉成一根玻璃棒，最後得到一段半柔性的“纖維”，它可以將光線限製在玻璃內(nei) 芯中。將許多光纖的一端對齊，固定成一個(ge) 光纖束，以此來傳(chuan) 輸圖像信息。這些設備非常受歡迎，因此形成了一個(ge) 巨大的醫療市場，使人們(men) 對光纖的熱情始終不減。

醫學界和公眾(zhong) 所使用的語言並非全然相同。使用光纖來檢查身體(ti) 內(nei) 部不需要手術，因此這個(ge) 過程被委婉地描述為(wei) “非侵入式”。但經曆過這種檢查的朋友則用截然不同的詞（這裏不便引用）來描述。非侵入式檢查也經常會(hui) 引發感染，這可能是因為(wei) 纖維係統很難進行徹底消毒。

巧妙的製造方法

最初嚐試以纖維的形式製造可控超薄玻璃絲(si) ，可能是因為(wei) 19 世紀需要用非常薄的玻璃纖維來製造電氣測量儀(yi) 器的扭絲(si) 。其中一種儀(yi) 器是非常靈敏的鏡式電流計，用來測量微小的電流。安裝在係統上的反射鏡可以使光束偏轉，從(cong) 而使線圈通電後引發的扭轉變得更加明顯。一種可以用於(yu) 懸掛反光鏡的“線”是玻璃纖維。盡管熟練的玻璃工匠可以製造長度短、直徑大的玻璃纖維，但直徑會(hui) 隨長度而變化，而且這種方法不易重複。真正的技術進步出現在 1887 年，當時查爾斯·弗農(nong) ·博伊斯（Charles Vernon Boys）設計了一把微型弓弩，將一根加熱的玻璃棒放在弩上。發射這支玻璃弓箭，形成了一條細長的熔融玻璃，冷卻成為(wei) 均勻而堅固的玻璃纖維。從(cong) 機械上來說，這種玻璃纖維比相同直徑的鋼更加堅固。它比手工拉製的玻璃纖維更細、更透明，即使長度達到數米以上，直徑也幾乎不變。這支弓弩的射程隻有幾十米，但它使人們(men) 意識到了玻璃纖維的一些性質，並對其加以測量。光纖因此得以在實驗室內(nei) 變為(wei) 現實。

靈敏的鏡式電流計是跨大西洋海底電纜係統的重要組成部分，用於(yu) 檢測摩爾斯電碼信號的電脈衝(chong) 。現在我們(men) 已經看到，衍生技術完全掩蓋並取代了原來的係統。

更長的光纖

到了 20 世紀 60 年代，內(nei) 窺鏡檢查的主要難題是對光纖包層，從(cong) 而防止傳(chuan) 輸信號丟(diu) 失。後來人們(men) 逐漸認識到，可以製造一種精密控製的光纖，纖芯具有較高的折射率，用來傳(chuan) 輸光線，同時外部包層的折射率低於(yu) 纖芯的折射率。包層使光纖更堅固，防止表麵與(yu) 水蒸氣發生反應，更重要的是，當光纖彎曲時，光不會(hui) 逃逸。

使用光纖進行遠程信號傳(chuan) 輸的可能性仍然遭到大多數美國大公司的完全否定。部分原因在於(yu) 現有的光纖性能太差，但與(yu) 此同時，這些公司正致力於(yu) 信號塔之間的微波和無線電鏈路。他們(men) 認為(wei) 可以在鋪設於(yu) 地下的金屬管道內(nei) 建造微波係統。由於(yu) 戰時需要以及軍(jun) 方對雷達的興(xing) 趣，人們(men) 對微波已有充分的了解，並建造了微波源和探測器。微波本身的問題是：（1）金屬波導會(hui) 造成極高的損耗，因此信號強度會(hui) 衰減；（2）信號不能在急轉彎處彎曲。為(wei) 了解決(jue) 這些問題，人們(men) 需要在許多階段進行檢測，放大信號或采用其他方式，每隔幾百米對信號進行重複和增強。微波波導對失真、熱效應和天氣條件也很敏感，這些因素會(hui) 影響傳(chuan) 輸微波信號的管道內(nei) 的空氣（和水蒸氣）。從(cong) 現在的角度來看，我們(men) 可能會(hui) 感到奇怪，這種方法有這麽(me) 多明顯的問題，為(wei) 何當時的人們(men) 依然對它熱情高昂，堅定不移，並投入大量資金。

早期光纖中的光損耗與(yu) 散射

最初幾乎沒有科學家認真研究與(yu) 光纖相關(guan) 的問題，更不可能相信光纖可以遠距離傳(chuan) 輸信號。最顯著的問題是，那個(ge) 時期的玻璃纖維會(hui) 非常迅速地降低信號強度，而且當時人們(men) 也不清楚如何製作長纖維並將它們(men) 連接在一起。人們(men) 認為(wei) ，接頭的製作極其困難。的確如此，現代光纖的直徑幾乎與(yu) 人的發絲(si) 直徑不相上下，傳(chuan) 輸信號的纖芯隻有發絲(si) 直徑的十分之一。電話工程師有時需在惡劣的天氣下在室外進行維修，要精準對齊這樣的兩(liang) 塊玻璃纖芯，並且誤差要低於(yu) 1%，似乎是不可能的。如今，這項任務依然不容易，隻不過有了更加可靠和常規的方法。

引導光通過光纖，這個(ge) 想法很簡單，但在 1960 年，在人們(men) 能夠製造出的第一類光纖中，光的吸收和散射會(hui) 造成非常嚴(yan) 重的損耗。即使使用質量最好的玻璃材料，每一米纖維都會(hui) 導致信號強度降低 50%。對實驗室演示來說，這是一種進步，但即使使用 10 米光纖在房間內(nei) 進行通信，從(cong) 光纖中射出的光也比輸入光弱 1000 倍。當時還沒有能夠製造數千米光纖的技術，但這無關(guan) 緊要，因為(wei) 光在玻璃中大量損耗，根本無法傳(chuan) 輸信號。總的來說，人們(men) 需要一種光吸收能力是窗玻璃的 100 萬(wan) 分之一的材料。

通過窗玻璃也能看到光損耗現象，從(cong) 玻璃較薄的方向（厚度為(wei) 幾毫米）進行觀察，我們(men) 可能會(hui) 認為(wei) ，出現損耗僅(jin) 僅(jin) 是因為(wei) 灰塵和表麵反射。玻璃的折射率為(wei) 1.5，可見光在玻璃與(yu) 空氣界麵的反射損失約為(wei) 4%（因此，在沒有光吸收的情況下，約 92% 的可見光可以透過玻璃）。如前文所述，如果我們(men) 從(cong) 邊緣觀察一片窗玻璃，會(hui) 發現它的透明度明顯降低，且略微呈現出綠色（因為(wei) 玻璃中含有鐵雜質）。反射損失並未增加，但即使玻璃的長度隻有十幾厘米，我們(men) 也能看到光吸收效應。對於(yu) 信號傳(chuan) 輸所需的數千米光纖，這意味著信號會(hui) 遭到破壞。

比窗玻璃（由多種金屬氧化物組成的矽酸鹽）更透明的材料是純二氧化矽（SiO2）。但人們(men) 最初拒絕用它製作任何纖維材料，因為(wei) 它雖然是可用的最透明的材料，折射率卻非常低（約為(wei) 1.46）。人們(men) 尚未想到如何將它製作成纖芯，因為(wei) 它需要一個(ge) 折射率更低的玻璃包層。此外，許多實驗主義(yi) 者麵臨(lin) 的一個(ge) 限製是，要將一塊接近熔化的矽棒拉成矽纖維，需要非常高的溫度。二氧化矽的熔點是 1713 攝氏度左右。1960 年，能夠實現這種溫度的熔爐和坩堝材料較為(wei) 罕見，相對簡單的加熱方法是使用氫氧焊炬。

不幸的是，當時的玻璃行業(ye) 尚不了解限製玻璃傳(chuan) 輸的因素有哪些，因為(wei) 人們(men) 並沒有解決(jue) 這個(ge) 問題的需要。人們(men) 認為(wei) 玻璃會(hui) 吸收一定的光，這是因為(wei) 製造玻璃的沙子中存在雜質，例如鐵或其他金屬，這一點沒錯。然而，二氧化矽等材料的一個(ge) 優(you) 點在於(yu) ，它隻有一種簡單的組成成分，即二氧化矽。這意味著它的成分或密度不太可能發生顯著的變化，也就是說，不會(hui) 出現散射位點。

散射與(yu) 光的波長有關(guan) ，這一點非常直觀。在光學上，散射強度與(yu) 波長的四次方成反比，因此波長為(wei) 400 納米（即 400×10-9 米）的藍光的散射強度是紅光（波長 700 納米）的 9.4 倍。藍光和紅光在散射強度上的差異符合我們(men) 所熟悉的日常現象，也解釋了為(wei) 什麽(me) 天空是藍色的。直射的陽光混合了太陽發出的所有輻射波，朝太陽的方向望去，可以看到強烈的、沒有散射的黃光和紅光。但從(cong) 其他方向看到的光都已經過多次散射。由於(yu) 波長較短的藍光散射強度大於(yu) 紅光，因此天空的其餘(yu) 部分都是藍色。

在長波光（波長大於(yu) 能透過二氧化矽的波長）下，二氧化矽是透明的，散射程度較低，這也促進了對重金屬氟化物玻璃的研究。人們(men) 投入大量精力來製造各種名為(wei) ZBLAN 的材料。ZBLAN 玻璃是鋯、鋇、鑭、鋁和鈉等氟化物組成的複雜混合物。雖然它們(men) 對長波光的吸收確實比二氧化矽好，但由於(yu) 密度/成分不均勻而導致光散射，從(cong) 而造成嚴(yan) 重的損耗。對這種複雜材料進行研究，目的不是在接近 1.5 微米的波長下操作，而是移動到更長的波長下進行操作，例如 10 微米，這將使原本的散射損耗降低約 250 倍。事實上，ZBLAN 的成分變化很大，而且易碎，所以我們(men) 一直使用二氧化矽。

利用雜質取得進步

當時的現實與(yu) 我們(men) 現在的認識截然不同，並且在 20 世紀 60 年代，人們(men) 關(guan) 注的是如何製造和使用最透明的材料。為(wei) 了減少光的吸收，必然需要清除金屬和水等雜質。備選的最佳透明材料是二氧化矽，但正如前文所說，它的熔點極高，且折射率低於(yu) 所有玻璃。解決(jue) 這個(ge) 問題的重點是去除所有雜質，然後再考慮後續的熔化和包層問題。這是一種明智的方法，因為(wei) 它可以讓我們(men) 看到材料透明度的提高。更重要的是，即使成功的可能性有限，它也有可能吸引一定水平的研究資金和支持。與(yu) 以往一樣，雜質有兩(liang) 種形式，有利的雜質與(yu) 有害的雜質。這些有害雜質會(hui) 吸收光，但如果隻關(guan) 注它們(men) ，就會(hui) 忽視其他雜質的好處。

玻璃製造商在矽酸鹽玻璃中摻雜大量其他氧化物（如硼、鈉、鈣等，以降低熔點或充當穩定劑以製造非脆性玻璃）或鉛（以提高折射率）。這些都是眾(zhong) 所周知的事實，因此對二氧化矽纖維也可以采用類似的方法。令人驚訝的是，人們(men) 並沒有立即接受這一點。並非所有標準的玻璃摻雜劑都能與(yu) 光纖用途兼容。例如，對於(yu) 現代光纖所傳(chuan) 送的紅外線（波長 1.54 微米），硼會(hui) 產(chan) 生光吸收，但它適用於(yu) 早期所傳(chuan) 輸的紅色激光信號（波長接近 800 納米，即 0.8 微米）。

由於(yu) 數值範圍非常大，圖2顯示了光纖中衰減損耗的模式。最低損耗值出現在波長接近 1.5 微米的位置，此時曲線出現最低波穀。早期的光纖隻傳(chuan) 輸波長接近 1.3 微米的光，這受限於(yu) 當時的光源和探測器選擇，這個(ge) 波段的光損耗也出現了一個(ge) 波穀。現代材料比這裏使用的示例更加透明。兩(liang) 個(ge) 波穀之間出現吸收波峰，源於(yu) 纖維中殘餘(yu) 水的作用。圖上的曲線變化很明顯，但我們(men) 需要記住，影響因素是雜質（比如水），它可能隻占玻璃的百萬(wan) 分之幾。即使在損耗最大的波長下，它仍然是一種非常透明的玻璃，但我們(men) 要研究每千米的損失，而不僅(jin) 僅(jin) 是窗玻璃的厚度。

圖2 光纖中衰減損耗的模式

二氧化矽中的矽可以用其他四價(jia) 元素替代，例如鈦或鍺。較重的原子帶有更多電子，這些電子會(hui) 與(yu) 光產(chan) 生更多相互作用，從(cong) 而使光的傳(chuan) 播速度變慢，並提高折射率。一家美國公司早期生產(chan) 的玻璃纖維中包含了一些鈦，以提高玻璃的折射率。然而，用鍺離子代替部分矽離子，尺寸更合適，離子鍵更匹配。鍺也提高了折射率。因此，以鍺矽酸鹽玻璃作為(wei) 纖芯，以純二氧化矽作為(wei) 包層，這樣的光纖能夠滿足高折射率纖芯與(yu) 低折射率包層的需要。我們(men) 認為(wei) 鍺是一種有益的摻雜劑，而非有害的雜質。

同樣，熔點問題可以通過添加低熔點材料來解決(jue) 。這些材料的化學性質可能與(yu) 四價(jia) 矽不同，因此未必能完全滿足所有化學鍵。如果使用三價(jia) 鋁，則有必要再添加其他材料進行補償(chang) ，比如磷等五價(jia) 材料，從(cong) 而糾正材料中的電子態（也就是說，5 和 3 的平均值為(wei) 4，這與(yu) 矽原子的共價(jia) 鍵相匹配）。如果結合過程中出現錯誤，可能導致玻璃變色與(yu) 光吸收。其中的具體(ti) 細節可能有所不同，但這個(ge) 例子說明了降低鍺矽酸鹽玻璃熔點的原理。

去除導致光吸收的水與(yu) 金屬雜質至關(guan) 重要。我們(men) 需要認識到的關(guan) 鍵事實是，隻要不影響在應用中所需要的玻璃性質，就可以添加大量雜質。如今光纖中的“有害”雜質已被降至十億(yi) 分之一，這是宣傳(chuan) 炒作和營銷中所用的數字。對於(yu) 為(wei) 提高折射率而加入的大量鍺或為(wei) 調節熔化溫度而加入的鈉、鋁或氟等隻字不提。如果光纖中有光放大器和激光器，還需添加其他雜質（比如鉺）。

雖然前沿科學可以描述長距離透明光纖的結構，但在限製與(yu) 困難方麵的細節和要求也在迅速升級。例如，纖芯和包層的折射率非常相近，例如 1.48（纖芯）和 1.46（包層）。較大的纖芯更容易導致信號激光耦合，但直徑越大，產(chan) 生的光學模式就越多，從(cong) 而產(chan) 生不同的傳(chuan) 輸速度，因為(wei) 光的彈跳會(hui) 增加路徑長度並降低信號速度。對於(yu) 脈衝(chong) 編碼信號，較大的纖芯直徑會(hui) 限製可用的脈衝(chong) 速率。因此，解決(jue) 方案的目標是縮小纖芯和使折射率在邊界處呈階梯變化。

光纖科學中的缺陷小結

對缺陷的作用進行總結，我們(men) 可以發現，在光纖材料的發展過程中，需要將玻璃的透明度提高至少 100 萬(wan) 倍。從(cong) 很大程度上來說，這意味著要清除玻璃中的許多金屬和水蒸氣，這些金屬和水蒸氣都會(hui) 吸收被傳(chuan) 輸的光，並造成光的衰減。同時，添加其他雜質（有用的雜質，即摻雜劑）可以控製折射率、熔點和拉伸溫度，也有助於(yu) 形成抗拉強度大的玻璃。

許多知名人士和實業(ye) 家未能理解光纖通信的潛力，對超前的技術和已牢固確立的技術存在嚴(yan) 重偏見，資金不足，企業(ye) 競爭(zheng) ，企業(ye) 破產(chan) 和極具破壞性的專(zhuan) 利訴訟（參見傑夫·赫克特的《光之城》一書(shu) ），上述這些都導致了一係列完全不同的社會(hui) 缺陷。盡管我從(cong) 事的是學術研究，但深入了解企業(ye) 競爭(zheng) 、蓄意打壓競爭(zheng) 對手、偏見和明顯缺乏智慧的決(jue) 策，也給予我極大的啟發。這些問題當然也存在於(yu) 學術界，但在平常的文獻或科研教學中很少提及。對此我能得出的最積極的結論是，如果有足夠多的人具有遠見、魅力、銷售技巧，並且勤奮工作，雖然需要付出巨大的努力，但終究會(hui) 取得進步。

為(wei) 了證明如何從(cong) 缺陷中獲益，我會(hui) 引用一個(ge) 最近發生的光纖傳(chuan) 輸的例子。當被掩埋的光纜發生變形時，例如由於(yu) 重型車輛通過，地震、滑坡或地麵撞擊所造成的地麵震顫，微小的光纖也會(hui) 發生彎曲，致使光線向光源的方向折回，從(cong) 而導致部分信號損失。顯然，這個(ge) 缺陷會(hui) 幹擾光通信。

然而，由於(yu) 對通信容量的需求不斷提高，光纖經常被淘汰和替換。但被淘汰的光纖係統仍會(hui) 被保留。人們(men) 意識到，這些信號反射可以用來定位地殼活動。例如，一名地質學研究生塞萊斯特·拉貝茲(zi) （Celeste Labedz）發現了阿拉斯加光纖中的“噪聲”，由此檢測到一些冰川地震。拉貝茲(zi) 並不是在阿拉斯加裝設一個(ge) 局部的地震傳(chuan) 感器，而是利用光纖增設了多個(ge) 傳(chuan) 感器。此外，人們(men) 還利用光纖繪製海底斷層帶和地震圖，收集有關(guan) 大地震和火山爆發的預測信息。

作者簡介

彼得·湯森（Peter Townsend），蘇塞克斯大學物理學榮譽教授。他曾在9個(ge) 國家工作，橫跨學術界和工業(ye) 界，涉及專(zhuan) 業(ye) 領域包括固體(ti) 物理缺陷、離子注入、發光、玻璃、光電子學、癌症檢測等。他發表了550多篇研究文章和8本書(shu) ，並擁有馬德裏自治大學和保加利亞(ya) 科學院的榮譽博士學位。

本文經授權摘自《缺陷之美 : 自然、科技與(yu) 生存之鑰》（中國科學技術出版社，2024年5月版）第七章《光纖通信》，有刪改。