路漫漫其修远兮—光通信的发展之旅

2.路漫漫其修远兮—光通信的发展之旅

尽管人类很早就已经认识到用光来传递信息（如3000多年前，我国的烽火台—它是一种用光传递远距离信息的设施），但是，在其后的很多年中，除了灯光闪烁、旗语等传递信息的方法出现，光通信几乎没有什么大的发展。灯光闪烁、旗语都是非常原始的光通信方式，不能称得上是完全意义上的光通信。

光纤中的光束

在近100年的时间里，电话的发明，被认为是人类近代光通信的开始。随着人们对通信的要求越来越高，20世纪60年代后，光通信获得了突飞猛进的发展。一般来说，今天我们所说的光通信是指“采用光波作为载波来传递信息的通信方式”。当今社会是一个信息社会，因而光通信的魅力正逐步地展现在人们的面前。

（1）电话—“光话”时代的开端

我们知道，光通信的出现比无线电通信要早。1876年，贝尔发明了光电话，这是光通信技术开始的标志。1896年，波波夫发送与接收了第一封无线电报，这象征着人类社会无线电通信的开端。在贝尔本人看来，在他的全部发明中，光电话无疑是最伟大的发明。

数字式电话机

人们开始研究的光通信都是利用光在大气中传送信息，因为这种方式方便简单。但是，不利的天气条件严重阻碍传输信号。在大气中传送信息时，遇到下雨、下雪、阴天、雾天等天气情况，信息会受到气象条件的诸多限制，就会看不远和看不清，也就是我们常说的能见度降低。此外，从通信技术上看，太阳光、灯光等普通的可见光源都是带有“噪声”的光，即光不纯，并不适合作为通信的光源。另一个问题是必须要有高强度、可靠的光源。

贝尔（1847—1922）

脉冲式电话机

（2）近代光纤通信—光也可以“走弯路”

1870年，英国物理学家廷德尔在他的实验中观察到，如果把光照射到盛满水的容器内，从出水口向外倒水，光线沿着水流传播时，出现了弯曲现象，也就是光“走了弯路”。这是由于在水流中出现了光的反射现象，使光看起来好像不符合光的直线传播定律。实际上，这时的光仍然是沿着直线传播的，但是以折线的方式前进。从某一方面来讲，光也可以“走弯路”。

光纤发光照明

廷德尔所观察到的现象，直至1955年才得以投入到实际应用。最初，这种光导纤维仅用在医学上。通常，现代的光纤通信，应用的是光的反射原理，即把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现了信息的传递过程。

（3）扫除拦路虎—光纤的诞生

光纤中的光束

人类一直以来，从未放弃过对理想的光传输介质的寻找。经过不懈的努力，终于发现了透明度很高的石英玻璃丝可以用来传光，我们把这种玻璃丝称为光学纤维，简称为“光纤”。之后人们用这种材料制造了在医疗上使用的内窥镜，如胃镜，它可以传送距离一米左右的体内情况。但是，它只能用来传送短距离信息，因为它的衰减损耗很大。通常，光的损耗程度是用每千米的分贝来衡量的。直到20世纪60年代，即使是最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每千米1000分贝以上。因此，在当时，有很多的科学家和发明家放弃了光纤通信的研究，认为用玻璃纤维通信希望渺茫。

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光通信的曙光

光的损耗程度是用分贝为单位来衡量的，那么，每千米1000分贝的损耗是一个什么样的概念呢？一般来说，每千米10分贝损耗就是指输入的信号传送1千米后只剩下了十分之一，而20分贝的损耗话则表示只剩下百分之一，30分贝只剩下千分之一，那么，1000分贝的损耗就意味着只剩下亿百分之一。因此，那时的科学家和发明家都对玻璃纤维通信抱有很小的希望。

不过，后来，人们还是看到了光通信的曙光，这就是激光器和光纤的发明。当时，在这两方面的突破遇到了许多困难，尤其是光通信对于光纤损耗的要求。在这种情况下，出生于上海的英籍华人高锟（K.C.Kao），对光波通信作出了一个大胆的设想。他经过了大量的实验研究后，指出，既然电可以沿着金属导线传输，那么，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7月，在高锟的关于光纤传输前景并具有重大历史意义的论文中，他大胆地预言：“只要能设法降低玻璃纤维的杂质，则就有可能使光纤的损耗从每千米1000分贝降低到每千米20分贝，因此它用于通信的功能就有了可能。”高锟的这篇论文，大大地鼓舞了当时的许多科学家，加强了他们为实现低损耗光纤而努力的信心。

（4）舍我其谁—光纤通信的飞速发展

1970年，激光器和低损耗光纤这两项关键技术已经取得突破性的进展，因此，光纤通信开始从理想变成可能。这一技术进展立即引起了各国电信科技人员的重视并竞相进行研究和实验。

这之后，美国的贝尔研究所发明了低损耗光纤的制作法，即CVD法。1977年，几乎在同时，贝尔研究所与日本电报电话公司成功研制出了寿命长达100万小时（即实际应用中可用10年左右）的半导体激光器，它是一种真正意义上实用的激光器。1977年，在美国的芝加哥市，世界上第一条光纤通信系统投入商用，速率为每秒45兆字节。

光纤线接头

进入实用阶段以后的光纤通信，在应用发展上极为迅速，我们从其应用的光纤通信系统的多次更新换代就可以看出来。70年代的光纤通信系统主要应用多模光纤，80年代以后，开始逐渐采用单模光纤，等到进入90年代以后，人们就已经开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。广泛地应用于市内电话中继和长途的通信干线，已经成为了通信线路的骨干。

光纤线

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石英光纤

1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功研制出世界上第一根低损耗的石英光纤，它的传输损耗每千米只有20分贝，意味着光纤的透明程度已经比普通玻璃的透明度高出了几百倍。这一实际应用的发明，标志着光纤用于通信已经有了现实的可能性，在当时是令人感到非常震惊和鼓舞的。

（5）共和国的“光之路”

20世纪70年代，国外的低损耗光纤获得突破性发展以后，我国也从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作。

70年代中期，我国研制出了低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年，北京和上海两地分别建成了市话光缆通信试验系统，它比世界上第一次现场试验晚了两年多。以上的这些成果，使我国成为当时拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一，标志着我国光通信研究有了一个良好的开端。到了20世纪80年代末，我国光纤通信的关键技术已经进入了国际先进水平的行列。

半导体激光器

从1991年以后，国家将重点从长途电缆通信系统的建立转移到大力发展光纤通信上面来。在“八五”期间，我国已经建成了总长度达33000公里、含22条光缆干线的“八横八纵”的大容量光纤通信干线传输网。1999年1月，我国的第一条最高传输速率的国家一级干线（济南至青岛）系统建成，使其光纤通信的容量在原有的基础上扩大了8倍。