將垃圾變成黃金：Andy Chraplyvy 和 TrueWave 纖維的發現

“就像從木頭上掉下來一樣。”

這是 Andy Chraplyvy 描述諾基亞貝爾實驗室有史以來最重要的光學發現之一的令人驚訝的方式。

作為當今諾基亞貝爾實驗室領導團隊的一員，Chraplyvy 是 TrueWave 光纖或非零色散位移光纖 (NZDF) 的共同發明者，他對光纖非線性及其色散管理的開創性研究對行業能力至關重要使波分複用（WDM）成為可能。

他獲得了無數獎項和行業認可，但是，如果你問他這些，他會覺得不知何故，他一定是在頒獎委員會的評委眼中矇蔽了雙眼。

“我總是說，”他承認，“幸運總比好人好。”

這激起了我的興趣：Chraplyvy 真的沒有看到他對光學研究領域的突破性貢獻的重要性嗎？

當他更深入地講述自己的故事時，出現的答案是發明工作有時隨意的方式、Chraplyvy 天生的謙虛和貝爾實驗室本身的特殊環境，發明如此頻繁地發生的混合體。

根據他自己的說法，導致 NZDF 發現的原因是位於亞特蘭大的 AT&T 光纖工廠（現為 OFS）在製造光纖時出現的非常微小且完全是常規的錯誤。

事實證明，一些通常會被丟棄的剛剛超出規格的光纖具有完全正確的特性，可以使 WDM 成為可能。

“我們只是幸運，”他說。

為什麼 Chraplyvy 和他在貝爾實驗室的長期同事和合作者Bob Tkach首先關注剛剛超出規格的光纖，這揭示了故事的一部分與多年的痴迷和辛勤工作有關以及貝爾實驗室的魔力，它允許像 Chraplyvy 這樣的研究人員追隨他們的直覺。

Andy Chraplyvy（左）和 Bob Tkach

鐳射和非線性

Chraplyvy 對非線性的興趣始於他在康奈爾大學攻讀博士學位期間。

他們在那裡複製了需要二氧化碳鐳射泵的紅外分子鐳射器（最近才在貝爾實驗室霍姆德爾實驗室發明）。

在隨後的幾年裡，他們使用二氧化碳鐳射器在摻雜晶體中發現了一種新型的光學非線性，結果證明這非常有趣和令人困惑。

這項工作導致了他的博士論文和 Chraplyvy 對光學非線性的終生迷戀。

從康奈爾大學畢業後，他繞過了通用汽車研究實驗室的物理系。尾管排放的環境監管迫使汽車製造商開發催化轉化器等新技術。

通用汽車正在使用其內部製造的鉛鹽可調諧半導體鐳射器來進行氣體光譜分析。

他們實時分析離開發動機的氣體，將它們與離開催化轉化器的氣體進行比較。

這些可調諧的鉛鹽鐳射器正是探索 Chraplyvy 如此感興趣的非線性所需要的。

因此，他將康奈爾的二氧化碳鐳射器和通用汽車的鉛鹽鐳射器結合起來，以充分利用這兩種技術.

然後他夢寐以求的工作以他在康奈爾大學時結識的貝爾實驗室招聘人員的形式出現了。

1980年，他加入貝爾實驗室李廷燁的光學團隊，繼續他對鐳射和非線性研究的迷戀。

貝爾實驗室的一大優勢是年輕科學家在貝爾實驗室的第一天所遇到的豐富經驗和知識。

Chraplyvy 的一位特別重要的導師是著名科學家Roger Stolen，他通常被稱為“非線性光纖物理學之父”。

Stolen 慷慨地花時間向 Chraplyvy 解釋光纖中光學非線性的細微差別。

在康奈爾大學，Chraplyvy 正在研究非常小的晶體中的非線性，鐳射需要非常強大才能在空間的小區域（焦距）內產生非線性。

在貝爾實驗室，光纖很長，以至於低功率鐳射器也可以完成同樣的工作。

這意味著 Chraplyvy 的探索有了更多的自由。

在接下來的十年中，Chraplyvy 和 Tkach 探索了光纖以及它們的非線性如何影響光通訊系統。

對於像 AT&T 這樣從事超長距離行動通訊業務的公司而言，光纖是新的、有前途的介質，探索和了解其在不同條件下的行為非常重要。

在接下來的十年裡，貝爾實驗室一直在尋找使其能夠將訊號傳輸得更遠、更快的方法，在世界對頻寬的永不滿足的需求的推動下，一直引領著光學領域的許多發現。

Chraplyvy 和 Tkach 在非線性方面的工作將被證明對實驗室最大的突破之一，即 WDM 的使用至關重要。

WDM與新型光纖的探索

在 1980 年代，最大的推動力是在光纖上捆綁多個波長。

WDM 使用單根光纖來承載多個通道，所有通道都具有不同的波長，通俗地說，我們將其視為顏色。

在波分複用之前，光纖只能承載一種波長的一種顏色的光。但是如果你可以攜帶多種顏色或波長呢？

如果您有 40 種顏色，您可以傳送 40 Gbps，而不是僅在單個通道上傳送 1 Gbps，從而將容量提高 40 倍。

這是當時光學研究的主要目標。

然而，為了實現這一目標，光纖需要能夠做兩種不同的——當時——相反的事情。

它需要能夠高速傳輸訊號，同時同時傳輸多個訊號。

當時有兩種市售纖維。

一個可以攜帶許多低速通道，另一個可以攜帶一個或幾個非常高速的通道。沒有纖維可以兩者兼得。

解決方案的關鍵是瞭解光在玻璃中的行為方式。

在他們研究光纖非線性的十年中，Chraplyvy 和 Tkach 對光波在玻璃中的行為有了透徹的瞭解，尤其重要的是，根據光纖的特性，這種行為會以許多不可思議的方式發生變化。

玻璃。

Chraplyvy 和 Tkach 確信有一個解決方案，但他們猜測，目前的光纖規格必須改變，只是稍微改變一下。

這導致他們進入光纖廢棄堆，那裡有不合規格的光纖線軸。他們推斷，也許偶然的一些不合規格的光纖，雖然根據規格被認為是無用的，但可能只是那種可以使多個高速訊號成為可能的玻璃。

幸運的是，團隊找到了它。

那是他將那一刻比作從圓木上掉下來的那一刻：“我們檢查了這組色散光纖，發現有幾個不符合規格的線軸，因此色散不為零。

它只是 +2 ps 或 -2 ps，最終將是 TrueWave 規格。

TrueWave 可能有“正面”版本和“負面”版本，這一事實將導致一個更重要的發現，即色散管理，這個概念已在全球光波系統中使用了數十年。

我們知道我們在尋找什麼，所以我們把它放在我們的設定中來測量非線性，果然沒有非線性，但你可以傳輸真正的高速訊號。

因此，基本上，TrueWave 光纖是透過檢查不符合規格的色散位移光纖而發現的。”

這就是 Chraplyvy 所謂的幸運突破，但當然，他的敘述中有一句很有說服力的話，“我們知道我們在尋找什麼。”

這完全不是偶然，而是設計。

貝爾實驗室創造了一個環境，其研究人員可以在其中深入探索他們的主題，以至於他們能夠識別突破，即使它們發生得有些隨機。

與一些需要數年才能看到實際實施的發明不同，實際結果幾乎是即時的，因為它們基於工廠已經在製造的光纖。

他回憶說：“亞特蘭大可以稍微欺騙他們的規格，將色散位移光纖線改為 TrueWave 線。

他們能夠在一夜之間做到這一點。

產品公告和專利是在同一周釋出的，距離我們向 AT&T 的其他公司宣佈其發現僅一年後。”

Chraplyvy 的整個職業生涯都在貝爾實驗室工作，致力於研究光纖中的非線性以及可以用鐳射完成的不同事情。

當被問及此類工作的未來時，他認為在對傳統二氧化矽基纖維的非線性行為的理解方面不會發生任何革命。

他認為地形已經被深入研究，非線性故事已經穩定。

此外，新的光纖設計，例如空心光纖，可以完全消除非線性問題。然而，他立即意識到自己的歷史具有諷刺意味：“你永遠不知道什麼時候突破可能就在拐角處”——或者是在被其他人忽視的不合格纖維的線軸上。

Chraplyvy 非常清楚，他的運氣與在貝爾實驗室獲得夢想的工作一樣重要。

因此，他希望確保資源可用，以便今天的年輕研究人員擁有同樣的機會，確保諾基亞貝爾實驗室將繼續吸引來自世界各地的頂尖人才。

他不會點名，但他看到了一群年輕的嶄露頭角的超級巨星，他們也將及時因工作而聞名於世。

他很高興知道他正在幫助向他們傳遞一些指導和智慧，以及他在自己的研究生涯中享有的同樣的好運。