技術史 — 玻璃

陳鍾誠
世界歷史
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20 min readAug 3, 2018

玻璃對科技的影響

玻璃

普通玻璃的成分主要是二氧化矽(SiO2,即石英,砂的主要成分)。而純矽土熔點為攝氏2000度,因此製造玻璃時一般會加入碳酸鈉(Na2CO3 ,即蘇打)與碳酸鉀(Potash,K2CO3,鉀鹼),這樣矽土熔點將降至攝氏1000度左右。但是碳酸鈉會使玻璃溶於水中,因此通常還要加入適量的氧化鈣(CaO)使玻璃不溶於水。

最常見的玻璃是鈉鈣玻璃,包括75%的二氧化矽(SiO2)、由碳酸鈉中製備的氧化鈉(Na2O)以及氧化鈣(CaO)及其他添加物。

對可見光透明是玻璃最大的特點,一般的玻璃因為製造時加進了碳酸鈉,所以對波長短於400nm的紫外線並不透明。如果要讓紫外線穿透,玻璃必須以純正的二氧化矽製造,這種玻璃成本較高,一般被稱為石英玻璃。純玻璃對紅外線亦是透明的,可以造成數公里長,作通訊用途的玻璃纖維。

玻璃在日常環境中呈化學惰性,亦不會與生物起作用。玻璃一般不溶於酸(例外:氫氟酸與玻璃反應生成SiF4,從而導致玻璃的腐蝕);但溶於強鹼,例如氫氧化銫。

據信人類自石器時代已使用天然的火山玻璃。公元前二千年左右,古埃及已有記載使用玻璃作器皿。西元前200年,巴比倫發明了玻璃吹管製玻璃的方法,接著這個方法傳入羅馬,歐洲在公元一世紀左右羅馬的波特蘭瓶即是玻璃浮雕作品。到了十一世紀,德國發明製造平面玻璃的技術。先把玻璃吹成球狀,然後造成圓筒型。在玻璃仍熱時切開,然後攤平。這種技術在十三世紀的威尼斯得到了進一步改良。十四世紀歐洲的玻璃製造中心是威尼斯,很多以玻璃造成的餐具、器皿等都是由威尼斯製作。日後歐洲很多玻璃工匠都是師承威尼斯。1827年發明的玻璃壓印機器,開展了大規模生產廉價玻璃器具的道路。

玻璃上有時會以酸或其他腐蝕物料刻上藝術圖案。傳統的造法是在吹或鑄玻璃的時候由工匠刻作。後來在1920年發明了可以在模具上加上雕刻的辦法,亦可以使用不同顏色的玻璃,於是在1930年以後,大量生產的廉價玻璃器具逐漸出現。

中國在西周時亦已開始製造玻璃。在西周時期的古墓中曾發現玻璃管、玻璃珠等物品。南北朝以前,中國人多以琉璃稱以火燒成,玻璃質透明物。宋朝時則開始稱之為玻璃。到明清時,習慣以琉璃稱呼低溫燒成,不透明的陶瓷。很多當時的「琉璃」嚴格上來說,並不屬於現代所說的「玻璃」。

常見的玻璃通常亦會加入其他成份。 例如看起來十分閃爍曜眼的水晶玻璃(鉛玻璃)是在玻璃內加入鉛,令玻璃的折射係數增加,產生更為眩目的折射。 至於派熱克斯玻璃(Pyrex),則是加入了硼,以改變玻璃的熱及電性質。 加入鋇亦可增加折射指數。 製造光學鏡頭的玻璃則是加入釷的氧化物來大幅增加折射指數。 倘若要玻璃吸收紅外線則可以加入鐵,放映機內便有這種隔熱的玻璃。 玻璃加入鈰則會吸收紫外線。

在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物亦可以改變玻璃的顏色。 例如 少量錳可以改變玻璃內因鐵造成的淡綠色,多一點錳則可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有類似的效果。 少量鈷可以造成藍色的玻璃。 錫的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃,這種玻璃好像是白色的陶瓷。 銅的氧化物會造成青綠色的玻璃。以金屬銅則會造成深紅色、不透明的玻璃,看起來好像是紅寶石。 鎳可以造成藍色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。 鈦則可以造成棕黃色。微量的金(約0.001%)造成的玻璃是非常鮮明,像是紅寶石的顏色。 鈾(0.1%至2%)造成的玻璃是螢火黃或綠色。 銀化合物可以造成橙色至黃色的玻璃。改變玻璃的溫度亦會改變這些化合物造成的顏色,但當中的化學原理相當複雜,至今仍然未被完全明解。

有時在火山熔岩中會出現天然的玻璃,稱黑曜石或火山玻璃。黑曜石可以用來造成簡單的尖刀。

鏡子

  • 影片: Facebook 知識之家: 製作鏡子的方法
  • 公元前6500-5700年 土耳其人的黑曜岩石片是距今已知最早的鏡子。
  • 公元前2920-2770年 埃及人在第一王朝時首先使用金屬銅製作鏡子,而居住在今墨西哥東南部的奧爾梅克人則使用磁鐵、赤鐵和黃銅。
  • 公元前2500–1500年 中國齊家文化考古發現已使用銅鏡,據傳說中國銅鏡最早起源於黃帝時代。
  • 中世紀 玻璃鏡子首先由羅馬人發明,其背面是鉛製成的,照出來灰濛濛的,因此此時的騎士所使用的鏡子都還是青銅的。
  • 1460年 現代鏡子的發明者是威尼斯人,確切時間不明,此為約略年代。
  • 1507年 安德里亞和蓋羅首次將錫和水銀的合金用於鏡子背面,從而製造出了第一面精緻複雜的鏡子,此後鏡子製造工藝成為威尼斯最重要的機密。
  • 1664年 法國財政大臣柯爾貝爾設法將這一工藝秘密引入法國,威尼斯對鏡子工業維持了150多年之久的壟斷局面才告結束。路易十四為了展示這一新興工業,還特意在凡爾賽宮興建了一座名為「鏡廳」的長廊。
  • 而在1835年,德國的化學家- 馮.李比希 (Justus von Liebig) 發明了鍍銀技術後製造出現代的鍍銀鏡子。不過一開始由於成本問題他的鍍銀鏡子競爭不過水銀鏡子。一直到1886年水銀鏡子因其毒性被禁止後銀鏡子才開始普及開來。
  • 镀银

玻璃鍍銀制鏡技術

製作方法

  1. 清洗玻璃:按規格裁好玻璃後,先用自來水沖洗正反兩面,然後將鐵紅粉帶水塗在要鍍的一面,待干後擦去鐵紅粉,水洗乾淨。再用微量的氯化錫溶液擦洗玻璃要鍍的面。洗後用水沖淨殘餘的氯化亞錫。最後用乾淨的水(最好用蒸餾水)沖一下玻璃。
  2. 鍍銀:將洗乾淨的玻璃平放在水平的木架或木條上,取銀液一份和還原液一份攪拌勻倒上。藥液以不流掉為度。約每平方米2分升左右。待其漸漸在玻璃上反應出銀鏡,將多餘的藥液倒掉,用水沖洗,倒上百分之一的明膠晾乾。干後再在上面塗一層鐵紅底漆或其它防鏽漆液便成了鏡子。

藥液配方

  1. 銀液:蒸餾水(冷開水也可)2500毫升,硝酸銀25克,氨水18.5毫升(經化學反應澄清為止)。
  2. 還原液:蒸餾水(冷開水也可)2500毫升,酒石酸鉀鈉25克,上液加熱澄清後再放入硝酸銀0.5%,藥液守濾後備用。
  3. 明膠液:水1000毫升,明膠10克,隔水蒸化。
  4. 鐵紅底漆加適量香蕉水溶液。

電鍍

電鍍的過程基本如下:

  1. 把鍍上去的金屬接在陽極,或者把待鍍金屬的可溶性鹽添加在槽液中。
  2. 要被電鍍的物件接在陰極。
  3. 陰陽極以鍍上去的金屬的正離子組成的電解質溶液相連。
  4. 通以直流電的電源後,陽極的金屬會釋放電子,溶液中的正離子則在陰極還原(得到電子)成原子並積聚在陰極表層。

現代電化學是由意大利化學家Luigi Valentino Brugnatelli(它)於1805年發明的.Brugnatelli利用他的同事亞歷山德羅·沃爾塔五年前發明的伏打堆,以促進第一次電沉積。 Brugnatelli的發明受到法國科學院的壓制,並且在接下來的三十年裡沒有被用於一般工業。到1839年,英國和俄羅斯的科學家們獨立設計了類似於Brugnatelli的金屬沉積工藝,用於印刷壓板的銅電鍍。

電鑄

俄羅斯的Boris Jacobi不僅重新發現了電鍍塑料,還開發了電鑄和電鍍塑料。 Galvanoplastics很快在俄羅斯流行起來,發明家Peter Bagration,科學家Heinrich Lenz和科幻小說作家Vladimir Odoyevsky等人都為這項技術的進一步發展做出了貢獻。在19世紀中期最臭名昭著的電鍍用途中,俄羅斯是聖彼得堡聖艾薩克大教堂巨大的電鍍塑料雕塑,莫斯科基督救世主大教堂的金電鍍圓頂,世界上最高的東正教教堂

解答:

  1. 電鍍與電鑄基本差異在於電鍍沉積層較薄(μm)且須與基材做緊密的結合,鍍層成為工件的一部分。而電鑄層較厚(μm-cm),且可與母膜脫離成一獨立成品,故所用之母模前處理方式不同。一般而言,電鍍用模具材料必為導體,而電鑄用選用模具則具多變化,導體、非導體及光阻製作之母模均是選擇範圍。電鑄品強調機能性,而電鍍品則強調平滑性、外觀、抗磨耗及耐腐蝕。基本上是這樣啦。
  2. 電鑄與電鍍用在很多地方,電鑄有用在光學鏡片,cd/dvd,珠寶飾品、機械零件…..等等。電鍍用的地方也很多舉凡機械零件、汽機車零件、電子零件,電視、電腦螢幕,主機殼、小到螺絲、螺帽也有。所以這兩種用途廣泛。

與金屬鑄造和刻板印刷一樣,首先由模型形成模具。由於電鑄涉及濕化學過程並且在室溫附近進行,因此模塑材料可以是柔軟的。使用諸如蠟,杜仲膠(天然乳膠)和最終地蠟的材料。模具的表面通過用細石墨粉末或塗料非常薄地塗覆而製成導電的。導線連接到導電錶面,模具懸浮在電解質溶液中。

放大鏡

放大透鏡的歷史可追溯至古埃及,約西元前五世紀,以埃及的象形文字表示「一片玻璃透鏡」。最早的文字記載則可追溯到古羅馬,約公元前一世紀,羅馬皇帝尼祿的導師塞內卡寫道「無論多小或模糊的文字,透過球體或注滿水的玻璃壺就會放大」。亦有一說尼錄皇帝曾以一個祖母綠寶石當做凸透鏡來觀賞鬥士比賽。

早於千多年前,人們已把透明水晶或寶石磨成「透鏡」,這些透鏡可放大影像。

眼鏡

符合現代定義的矯正用眼鏡的發明者眾說紛紜。1268年,羅吉爾·培根最早記錄了用於光學目的的透鏡,然而,與此同時,將裝入框中的放大鏡用於閱讀已經在歐洲出現了。在歐洲,最早的眼鏡出現在13世紀的義大利,由Alessandro di Spina of Florence引入。最早有眼鏡的畫像《Hugh of Provence》是Tommaso da Modena於1352年繪製的。

在希臘和羅馬時代存在使用視覺輔助設備的分散證據,最突出的是由普林尼長老提到的皇帝尼祿使用祖母綠。[15]

使用凸透鏡形成放大/放大的圖像很可能是在托勒密的光學中描述的(然而它只存在於糟糕的阿拉伯語翻譯中)。托勒密對鏡片的描述由Ibn Sahl(10世紀)評論和改進,最著名的是Alhazen(Book of Optics,約1021)。 Ptolemy’s Optics和Alhazen的拉丁語翻譯於12世紀在歐洲上市,與“閱讀石頭”的發展相吻合。

Robert Grosseteste的論文De iride(“On the Rainbow”)寫於1220年至1235年之間,提到使用光學技術“讀取不可思議距離的最小字母”。幾年後的1262年,Roger Bacon也就鏡頭的放大特性而著稱。[16]第一批眼鏡的發展發生在13世紀下半葉的意大利北部。[17]

與光學鏡片的發展無關,一些文化開發了用於保護眼睛的“太陽鏡”,沒有任何矯正特性。[18]因此,在12世紀的中國使用平板煙霧石英。[a]同樣,因紐特人使用雪鏡來保護眼睛。

第一批眼鏡是在意大利北部製造的,最有可能是在比薩,大約1290年:在1306年2月23日的一次佈道中,多米尼加的修道士佐丹奴達比薩(約1255–1311)寫道:“那裡還不到二十年了我發現了製作眼鏡的藝術,這種藝術可以提供良好的視覺效果……而且這種新藝術從未出現過,現在已經很短了……我看到了那個第一個發現並實踐它的人,我跟他說過話。“

望遠鏡

關於望遠鏡,現存的最早紀錄是荷蘭米德爾堡的眼鏡製造商漢斯·利普西在1608年向政府提交專利的折射望遠鏡。實際的發明者是誰不能確定,它的發展要歸功於三個人:漢斯·利普西、米爾德堡的眼鏡製造商撒迦利亞·詹森(Zacharias Janssen)和阿爾克馬爾的雅各·梅提斯[5]。望遠鏡被發明得消息很快就傳遍歐洲。伽利略在1609年6月聽到了,就在一個月內做出自己的望遠鏡用來觀測天體。

在折射望遠鏡發明之後不久,將物鏡,也就是收集光的元件,用面鏡來取代透鏡的想法,就開始被研究。使用拋物面鏡的潛在優點 -減少球面像差和無色差,導致許多種設計和製造反射望遠鏡的嘗試。在1668年,艾薩克·牛頓製造了第一架實用的反射望遠鏡,現在就以他的名字稱這種望遠鏡為牛頓反射鏡。

在1733年發明的消色差透鏡糾正了存在於單一透鏡的部分色差,並且使折射鏡的結構變得較短,但功能更為強大。儘管反射望遠鏡不存在折射望遠鏡的色差問題,但是金屬鏡快速變得昏暗的鏽蝕問題,使得反射鏡的發展在18世紀和19世紀初期受到很大的限制 -在1857年發展出在玻璃上鍍銀的技術,才解決了這個困境,進而在1932年發展出鍍鋁的技術。受限於材料,折射望遠鏡的極限大約是一公尺(40英吋),因此自20世紀以來的大型望遠鏡全部都是反射望遠鏡。目前,最大的反射望遠鏡已經超過10公尺(33英尺),正在建造和設計的有30–40公尺。

20世紀也在更關廣的頻率,從電波到伽瑪射線都在發展。在1937年建造了第一架電波望遠鏡,自此之後,已經開發出了各種巨大和複雜的天文儀器。

折射望遠鏡

  • 伽利略望遠鏡: 使用凸透鏡做物鏡,和使用凹透鏡的目鏡。伽利略望遠鏡的影像是正立的,但視野受到限制,有球面像差和色差,適眼距也不佳。
  • 克卜勒望遠鏡: 1611年克卜勒改善了伽利略的設計而發明的。改使用一個凸透鏡作為目鏡而不是伽利略原來用的一個凹透鏡。這樣安排的好處是從目鏡射出的光線是匯聚的,可以有較大的視野和更大的適眼距,但是看見的影像是倒轉的。這種設計可以達到更高的倍率,但需要很高的焦比才能克服單純由物鏡造成的畸變 (所以長度通常很長)。(約翰·赫維留建造焦長45公尺的折射鏡。) 這種設計也使用在顯微鏡在焦平面上(用於測量被觀測的兩個物體之間角距離的大小)。
  • 消色差折射鏡: 消色差的折射鏡是在1733年由一位英國律師切斯特·穆爾·霍爾發明的,雖然專利權給了另一位獨立發明的約翰·多倫德。這項設計使用兩片玻璃 (有不同色散度的冕牌玻璃和燧石玻璃) 做物鏡,降低了色差和球面像差。兩兩片玻璃的每一個面都要拋光,然後組合在一起。消色差透鏡可以讓兩種不同波長(通常是紅色和藍色)的光,都能聚焦在相同的焦平面上。
  • 折反射望遠鏡

施密特-卡塞格林望遠鏡是在1931年由德國光學家施密特發明的優秀廣視野望遠鏡。在鏡筒最前端的光學元件是施密特修正板,這塊板是經過研磨接近平行的非球面薄透鏡,可以確實的改正與消除主鏡造成的球面像差。

馬克蘇托夫-卡塞格林式是在1940年由蘇聯光學家德密特利·馬克蘇托夫發明的馬克蘇托夫望遠鏡的改良型。馬克蘇托夫式的機械部分比卡塞格林式簡單,並且有封閉的鏡筒和全部都是球面鏡的光學系統。與相似的施密式最關鍵的不同的是彎月型的修正板也設計成容易磨製的球面透鏡,而不是施密特式的非球面透鏡設計。因為焦距比較長,因此馬克蘇托夫式的視野比施密特-卡塞格林式的狹窄,一般也比較重;但是較小的次鏡使他的解析力比施密特-卡塞格林式好。

天文觀測

太陽系的行星運行 — 克普勒行星三大定律

顯微鏡

最早的顯微鏡是16世紀末期(1590年)在荷蘭製造出來,發明者是亞斯·詹森,荷蘭眼鏡商。同時另一位荷蘭科學家漢斯·利珀希也製造了。後來有兩個人開始在科學上使用顯微鏡,第一個是義大利科學家伽利略。他在1611年通過顯微鏡觀察到一種昆蟲後,第一次對它的複眼進行了描述。第二個是荷蘭亞麻織品商人列文虎克(1632年-1723年),他自己學會了磨製透鏡。他第一次描述了許多肉眼所看不見的微小植物和動物。

1953年,弗里茨·塞爾尼克因為對相襯法的證實,發明相襯顯微鏡獲得諾貝爾物理學獎。

1986年,恩斯特·魯斯卡因研製第一台透視電子顯微鏡獲得諾貝爾物理學獎。格爾德·賓寧、海因里希·羅雷爾因研製掃描隧道顯微鏡獲得諾貝爾物理學獎

2014年10月8日,諾貝爾化學獎頒給了艾力克·貝齊格 (Eric Betzig),W·E·莫爾納爾 (William Moerner)和斯特凡·W·赫爾 (Stefan Hell),獎勵其發展超分辨熒光顯微鏡 (Super-Resolved Fluorescence Microscopy),帶領光學顯微鏡進入奈米級尺度中。[1][2]

2017年,雅克·杜博歇、約阿希姆·弗蘭克、理察·亨德森因研製用於溶液內生物分子的高解析度結構測定的低溫電子顯微鏡獲得諾貝爾化學獎。

光纖

光導纖維是雙重構造,核心部分是高折射率玻璃,表層部分是低折射率的玻璃或塑料,光在核心部分傳輸,並在表層交界處不斷進行全反射,沿「之」字形向前傳輸。這種纖維比頭髮稍粗,這樣細的纖維要有折射率截然不同的雙重結構分布,是一個非常驚人的技術。各國科學家經過多年努力,創造了內附著法、MCVD法、VAD法等等,製成了超高純石英玻璃,特製成的光導纖維傳輸光的效率有了非常明顯的提高。現在較好的光導纖維,其光傳輸損失每公里只有零點二分貝;也就是說傳播一公里後只損4.5%。

折射率可以用來計算在物質裏的光線速度。在真空裏,及外太空,光線的傳播速度最快,大約為3億公尺/秒。一種物質的折射率是真空光速除以光線在這物質裏傳播的速度。所以,根據定義,真空折射率是1。折射率越大,光線傳播的速度越慢。通常光纖的核心的折射率是1.48,包覆的折射率是1.46。所以,光纖傳導訊號的速度粗算大約為2億公尺/秒。電話訊號,經過光纖傳導,從紐約到雪梨,大約12000公里距離,會有最低0.06秒時間的延遲。

高錕 因提出光纖可作長距離通信而獲頒2009年的諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評審委員會稱高錕的研究有助建立今日網路世界的基礎,為今日的日常生活創立許多革新,也為科學的發展提供新工具。

1957年,高錕進入國際電話電報公司(ITT),在旗下一英國子公司標準電話與電纜公司任工程師。1960年,他進入ITT設於英國的歐洲中央研究機構 — — 標準電信實驗有限公司,在那裡服務了十年,其職位從研究科學家升至研究經理。其間於1965年取得倫敦大學學院的電機工程哲學博士學位。

高錕在ITT時期,鑽研利用玻璃纖維進行信號傳送,並將實驗成果,發表多篇論文在世界各地,其中在1966年發表的《光頻率介質纖維表面波導》論文中指出:用石英基玻璃纖維進行長距離信息傳遞,將帶來一場通訊事業的革命,並提出當玻璃纖維衰減率(Attenuation)下降到每公里20分貝時,光纖通訊即可成功。他的研究為人類進入光導新紀元打開了大門。並為此獲得2009年諾貝爾物理學獎以及愛迪生電信獎、馬可尼國際獎、貝爾獎、巴倫坦獎章、利布曼獎等。

現代的光纖通訊系統多半包括一個發射器,將電訊號轉換成光訊號,再透過光纖將光訊號傳遞。光纖多半埋在地下,連接不同的建築物。系統中還包括數種光放大器,以及一個光接收器將光訊號轉換回電訊號。在光纖通訊系統中傳遞的多半是數位訊號,來源包括電腦、電話系統,或是有線電視系統。

利用光纖做為通訊之用通常需經過下列幾個步驟:

  1. 以發射器(Transmitter)產生光訊號。
  2. 以《光纖》傳遞訊號,由於會有衰減現象,因此必須每隔一段距離 (20公里) 就使用《光放大器或中繼器》以強化光訊號避免錯誤。
  3. 以接收器(Receiver)接收光訊號,並且轉換成電訊號。

各元件的原理:

  • 發射器: 發光二極體(light-emitting diode, LED)或是雷射二極體(laser diode)
  • 光纖: 核心部分是高折射率玻璃,表層部分是低折射率的玻璃或塑料,光在核心部分傳輸,並在表層交界處不斷進行全反射,沿「之」字形向前傳輸。
  • 光放大器: 在一段光纖內摻雜(doping)稀土族元素(rare-earth)如鉺(erbium),再以短波長雷射激發(pumping)之。如此便能放大光訊號,取代中繼器。
  • 接收器: 主要元件是光偵測器(photodetector),利用光電效應將入射的光訊號轉為電訊號。光偵測器通常是半導體為基礎的光二極體(photo diode),例如p-n接面二極體、p-i-n二極體,或是雪崩型二極體(avalanche diode)。

自古以來,人類對於長距離通訊的需求就不曾稍減。隨著時間的前進,從烽火到電報,再到1940年第一條同軸電纜(coaxial cable)正式服役,這些通訊系統的複雜度與精細度也不斷的進步。但是這些通訊方式各有其極限,使用電氣訊號傳遞資訊雖然快速,但是傳輸距離會因為電氣訊號容易衰減而需要大量的中繼器(repeater);微波(microwave)通訊雖然可以使用空氣做介質,可是也會受到載波頻率(carrier frequency)的限制。到了二十世紀中葉,人們才了解使用光來傳遞資訊,能帶來很多過去所沒有的顯著好處。

然而,當時並沒有同調性高的發光源(coherent light source),也沒有適合作為傳遞光訊號的介質,也所以光通訊一直只是概念。直到1960年代,雷射(laser)的發明才解決第一項難題。1970年代康寧公司(Corning Glass Works)發展出高品質低衰減的光纖則是解決了第二項問題,此時訊號在光纖中傳遞的衰減量第一次低於光纖通訊之父高錕所提出的每公里衰減20分貝(20dB/km)關卡,證明光纖作為通訊介質的可能性。與此同時使用砷化鎵(GaAs)作為材料的半導體雷射(semiconductor laser)也被發明出來,並且憑藉著體積小的優勢而大量運用於光纖通訊系統中。1976年,第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通訊系統在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。

經過五年的研發期,第一個商用的光纖通訊系統在1980年問市。這個人類史上第一個光纖通訊系統使用波長800奈米(nanometer)的砷化鎵雷射作為光源,傳輸的速率(data rate)達到45Mb/s(bits per second),每10公里需要一個中繼器增強訊號。

第二代的商用光纖通訊系統也在1980年代初期就發展出來,使用波長1300奈米的磷砷化鎵銦(InGaAsP)雷射。早期的光纖通訊系統雖然受到色散(dispersion)的問題而影響了訊號品質,但是1981年單模光纖(single-mode fiber)的發明克服了這個問題。到了1987年時,一個商用光纖通訊系統的傳輸速率已經高達1.7Gb/s,比第一個光纖通訊系統的速率快將近四十倍之多。同時傳輸的功率與訊號衰減的問題也有顯著改善,間隔50公里才需要一個中繼器增強訊號。1980年代末,EDFA的誕生,堪稱光通訊歷史上的一個里程碑似的事件,它使光纖通訊可直接進行光中繼,使長距離高速傳輸成為可能,並促使DWDM的誕生。

第三代的光纖通訊系統改用波長1550奈米的雷射做光源,而且訊號的衰減已經低至每公里0.2分貝(0.2dB/km)。之前使用磷砷化鎵銦雷射的光纖通訊系統常常遭遇到脈波延散(pulse spreading)問題,而科學家則設計出色散遷移光纖(dispersion-shifted fiber)來解決這些問題,這種光纖在傳遞1550奈米的光波時,色散幾乎為零,因其可將雷射光的光譜限制在單一縱模(longitudinal mode)。這些技術上的突破使得第三代光纖通訊系統的傳輸速率達到2.5Gb/s,而且中繼器的間隔可達到100公里遠。

第四代光纖通訊系統引進光放大器(optical amplifier),進一步減少中繼器的需求。另外,波長分波多工(wavelength-division multiplexing, WDM)技術則大幅增加傳輸速率。這兩項技術的發展讓光纖通訊系統的容量以每六個月增加一倍的方式大幅躍進,到了2001年時已經到達10Tb/s的驚人速率,足足是80年代光纖通訊系統的200倍之多。近年來,傳輸速率已經進一步增加到14Tb/s,每隔160公里才需要一個中繼器。

第五代光纖通訊系統發展的重心在於擴展波長分波多工器的波長操作範圍。傳統的波長範圍,也就是一般俗稱的「C band」約是1530奈米至1570奈米之間,新一帶的無水光纖(dry fiber)低損耗的波段則延伸到1300奈米至1650奈米間。另外一個發展中的技術是引進光孤子(optical soliton)的概念,利用光纖的非線性效應,讓脈波能夠抵抗色散而維持原本的波形。

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陳鍾誠
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程式人、說書人、雜誌編輯、網站經營、金門大學教師