深入了解光纤玻璃的制造过程

在康宁公司位于北卡罗来纳州威尔明顿的工厂,高温和强烈的化学反应将二氧化硅转化为互联网的骨干。
Colorful spools of fiber optic glass.
五颜六色的光纤玻璃卷轴堆满了北卡罗来纳州康宁工厂的一面墙。Christopher Payne

光纤技术帮助将本文传输到你正在阅读它的任何设备上。这些超透明玻璃的微小细丝在网络上发生的几乎所有事情中都起着至关重要的作用——从连接大型数据中心到将《曼达洛人》传输到你的电视上。随着疫情期间一些地区宽带使用量增加了40%以上,这些高速管道比以往任何时候都更重要。

今年,这项使所有这些快速数据共享成为可能的发现将迎来50周年。1970年,一家玻璃制造商康宁公司的科学家们发明了一种制造纯二氧化硅玻璃的方法,使得信号——电子邮件、网站、《堡垒之夜》游戏——能够以前所未有的效率,以激光脉冲的形式在125微米厚的细丝上传输。这些信息比通过铜线传输的类似信号传输得更远、更快、更具成本效益,而铜线是传统固定电话和有线连接的基础。

几十年来,北卡罗来纳州威尔明顿的同一家工厂一直在生产这些光纤。它们生产的细丝被捆绑成电缆,构成了从跨大西洋海底电缆到你家中互联网线缆的一切。

flame jets help make fiber optic glass.
Christopher Payne

简单地熔化主要由二氧化硅组成的沙子可以制成玻璃,但那种粗糙的东西无法获得在全世界范围内传输光信号所需的任何光学纯度。因此,康宁公司生产自己的纯二氧化硅。为了形成所谓的“毛坯”(即最终会被拉伸成光纤细丝的棒),火焰喷嘴将光纤的核心元素从储罐中喷出。产生的颗粒被称为烟灰,落在旋转的陶瓷棒上,像滚雪球一样堆积起来。第二层具有略微不同的化学成分,会形成一个反射屏障,防止光子在管道中传输时逃逸,管道充当波导。康宁公司将制造过程的这一部分称为“铺设”。

Corning glass furnace
Christopher Payne

毛坯棒(左侧悬挂着)看起来更像一根巨大的粉笔,而不是一块原始的玻璃。烟灰以层状附着,但整体结构非常多孔,分子尚未完全结合在一起。从这里开始,一个机械臂会将每个圆柱体浸入一个尖叫着滚烫的熔炉中几个小时进行烘烤和澄清。

Corning fiber optic glass consolidation
Christopher Payne

康宁公司将烘烤过程称为“固化”。左侧进入熔炉的毛坯看起来浑浊,而右侧出来的则是一块固体、透明的物质。高温将二氧化硅分子紧密地结合在一起,使玻璃致密并去除可能阻碍其光传输能力的杂质。康宁公司移除了最初用来收集烟灰的陶瓷棒,它留下的孔洞会在材料熔化时闭合。最终结果在很大程度上与细细的光纤具有相同的光学特性,但规模要大得多。

Corning fiber optic glass process.
Christopher Payne

为了将粗玻璃管拉伸成超细细丝,右侧的机器将圆柱体加热到大约2000摄氏度。(相比之下,普通窗户玻璃在仅600摄氏度就会熔化。)当物质熔化时,会形成一个粗大的球体,重力通过管道将基板向下拉几层楼,同时传感器会监测其温度。底部有一个机器——有时也由人操作——会将这个球体剪断,以便将光纤卷绕到卷盘上。

Spools of finished fiber
Christopher Payne

成品被包裹在彩色聚合物中,然后机器将其卷绕到线圈上。因为一根光纤电缆包含几十甚至上千根具有细微不同特性的细丝——因此在弯曲到90度角等方面的容差也不同——这些颜色为技术人员和电缆制造商提供了一种简单直观的方法来识别每种类型。例如,你家中的一根线缆可能包含72根细丝,而横跨大西洋传输数据的线缆可能包含5000多根。

 

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Stan Horaczek

执行编辑,装备与评测

Stan Horaczek是《Popular Science》的执行装备编辑。他领导着一支热爱装备的作家和编辑团队,致力于寻找和介绍市场上最新、最好、最具创新性的电子产品和更多产品。


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