通信技术的新宠儿

通信技术的新宠儿

攀登科学文化的高峰，就要冲破不利条件限制，利用生活所提供的有利条件，并去创造新的条件。

——高士其

社会文明和科学技术水平在当今社会已有了普遍提高，但是简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用，例如红黄绿交通信号灯、旗语等，电灯发明之后，又有了利用百叶窗和灯光的灯语。我们先来讲一下旗语。

旗语产生于西方航海大发展时期，舰船之间通过旗语来进行联络。直到现在，各种信号旗仍然在船舶上悬挂。现在在F₁的赛车场也使用了旗语，可以说它也是一种目视光通信的手段。如果你能跟F₁赛手像是塞纳、舒马赫、威伦纽夫等高手谈谈有关F₁旗语的话题，一定能让他们刮目相看。现在就让我们了解一下F₁的旗语吧：

国际信号旗

白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆；

红色旗表示比赛已停止；

黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车；

黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑；

黑白对角旗表示是非运动员行为；

黄旗表示有危险；

黑白格相间的旗子意思是比赛结束；

蓝旗表示有车手正要超车；

黑底黄色圆心旗表示赛车有故障；

绿色旗表示全程畅通。

光

烽火台、望远镜、交通红绿灯、旗语都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此的熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里，应该明确，光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒质是什么；而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。

光通信虽然早就被人们认识到了，但发展很慢。后来又有了用灯光闪烁、旗语等传递信息的方法；但是这些都是用可见光进行的视觉通信，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。

近100多年来，人们对光通信的追求有增无减，贝尔发明电话，并偿试着用光来打电话被认为是近代光通信的开始。20世纪60年代后，随着人们对通信的要求变得越来越强烈，光通信获得了突飞猛进的发展。我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的通信方式了。现代人类已经进入了信息社会，光通信的魅力也逐步展现在人们面前。

波波夫用的无线电接收机

晶体管

贝尔的光电话

光通信比无线电通信的历史更悠久。波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年，以发明电话而著名的贝尔，在1876年发明了电话之后，就想到利用光来通电话的问题。1880年，他利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。1881年，贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文，报道了他的光电话装置。在贝尔本人看来：在我的所有发明中，光电话是最伟大的发明。贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。

光在大气中传播很简单，所以人们开始研究的光通信都是利用光在大气中传播信息。但是光在大气中的传送要受到气象条件的限制，比如遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很大阻碍。此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源，因为从通信技术上看，这些光都是带有“噪声”的光。也就是说，这些光的频率不稳定、不单一，光的性质也很复杂。一句话，就是光不纯。因此，真要用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。在此后的几十年中，由于这两项关键技术没有得到解决，光通信就一直裹足不前。也正因此，贝尔的光电话始终没有走上实用化的阶段。所以我们今天也没有用上贝尔的光电话，而只是用了他发明的电话；但不管怎样，贝尔真的是一位伟大的发明家。

光的折射现象

1870年，英国物理学家廷德尔通过实验发现，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好像不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍是沿直线传播的，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路”。

光导纤维

直至1955年，廷德尔观察到的现象才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制作的光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成，一种玻璃形成中央中心束线，另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别，光线经一定角度从光导纤维的一端射入后，不会从纤维壁逸出，而是沿两层玻璃的界面连续反射前进，从另一端射出。最初，这种光导纤维只是应用在医学上，用光纤束组成内窥镜，可以观察人体肠胃内的疾病，协助医生及时作出确切的判断。其实，现代的光纤通信也就是运用光反射原理，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，从而实现信息的传递。

内窥镜的装置

人类不断探索理想光传输介质，经过不懈的努力，人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤维，简称“光纤”。人们用它制造了在医疗上用的内窥镜，例如做成胃镜，可以观察到距离一米左右的体内情况。但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分贝以上。每公里1000分贝的损耗是什么概念呢？每公里10分贝损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下了1/10，20分贝就表示只剩下1%，30分贝是指只剩1‰……1000分贝的含意就是只剩下亿百分之一，这无论如何也不可能用于通信的。因此，当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信希望渺茫，失去了信心，放弃了光纤通信的研究。

固体激光器

激光器和光纤的发明，使人们对光通信又有了信心和希望。而要实现光纤通信，还需要在激光器和光纤的性能上有重大的突破。但是在这两方面的突破遇到了许多困难，尤其是光纤的损耗要达到可用于通信的要求，从每千米损耗1000分贝降低到20分贝似乎不太可能，以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下，出生于上海的英籍华人高锟博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝/公里，从而有可能用于通信。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。

1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有20分贝的光纤。也就是说用它和玻璃的透明程度比较，光透过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长度分别是：普通玻璃为几厘米、高级光学玻璃最多也只有几米，而通过每千米损耗为20分贝的光纤的长度可达150米。这就是说，光纤的透明程度已经比玻璃高出了几百倍！在当时，制成损耗这样低的光纤可以说是惊人之举，这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。

新一代多模光纤

1970年，激光器和低损耗光纤，都取得了关键性的突破。使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法——CVD法（汽相沉积法），使光纤损耗降低到1分贝/公里；1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s。

单模光纤

从理想步入现实，光纤通信的发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。20世纪70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长（850纳米）波段，（1纳米＝1000兆分之一米）。80年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纤逐渐采用单模光纤，到90年代初，通信容量扩大了50倍，达到2．5Gb/s。进入90年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。