通信之光

陳章淵 林邦姜

如今，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，互?lián)網(wǎng)上的信息靠什么傳送呢？答案是：通信技術(shù)。光纖通信、電纜通信和無線通信等技術(shù)構(gòu)成了“通信世界”，人們將通信的能力稱為帶寬。光纖通信是能夠提供最大帶寬的通信技術(shù)，80%以上的網(wǎng)絡(luò)流量會在光纖網(wǎng)絡(luò)上傳送。作為互聯(lián)網(wǎng)基石之一的光纖通信技術(shù)是如何發(fā)展起來的呢？

長久探索認(rèn)識光的本質(zhì)

光通信真正成為現(xiàn)實，是在人們對光的本質(zhì)有了充分的認(rèn)識之后。

古代人類就已經(jīng)了解到光學(xué)的一些基本現(xiàn)象和規(guī)律。例如公元前5世紀(jì)，我國《墨經(jīng)》中對小孔成像、凹面鏡成像的描述，古希臘歐幾里得的光反射定律等。而現(xiàn)代光學(xué)大致開始于17世紀(jì)，以荷蘭的斯涅爾給出折射定律為起點(diǎn)，幾百年間積累了豐富的光學(xué)知識。不過直到19世紀(jì)中葉，麥克斯韋用非常優(yōu)美的方程組總結(jié)了人類對電和磁的認(rèn)識，并發(fā)現(xiàn)電磁波的速度剛好等于已知的光速，才判斷出光是電磁波。麥克斯韋的工作堪稱人類19世紀(jì)最杰出的一項成就，是人類對光本質(zhì)認(rèn)識的一個革命性變化。

從無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光到X射線、伽馬射線，它們都是電磁波，傳播速度為光速，構(gòu)成了一個稱為電磁頻譜的世界，也就是今天各種通信技術(shù)所用的載體。振動頻率的定義可以用鼓聲振動來做個類比，若每秒鐘敲一下鼓，我們稱其振動頻率為1赫茲。電磁波的頻率越高，可用來攜帶信息的帶寬就越大。光纖通信的可用帶寬遠(yuǎn)大于移動通信。

麥克斯韋的電磁波理論成就了無線電報、有線電話等通信技術(shù)，但還不足以撐起我們今天的光通信技術(shù)。1905年，愛因斯坦在一篇解釋光電效應(yīng)的論文中引入了光量子（光子）概念：光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，等于一個常數(shù)乘以光的頻率。也就是說一束光是由許多分立的光子組成的。光子概念，以及大約20年后由海森堡、薛定諤、狄拉克等人建立的量子力學(xué)，使人們認(rèn)識到光的某些特性像波，另一些特性又像粒子，稱為波粒二象性。這是人類對光的本質(zhì)的又一次革命性認(rèn)識。

最古老的光通信：烽火臺

有文獻(xiàn)記載的最早的光通信要算我國的烽火臺告警系統(tǒng)了（公元前771年）。烽火用來傳遞軍情信息。遇到敵人來襲，白天點(diǎn)燃摻有狼糞的柴草，讓濃煙直上云霄，稱為“燧”;夜晚則燃燒加有硫黃和硝石的干柴，使火光通明，稱為“烽”。一個個烽燧臺相連，構(gòu)成警戒網(wǎng)絡(luò)，以可見的狼煙和火光向各方報警。這種方式即是最原始的長距離光通信。

啥是雙異質(zhì)結(jié)？

雙異質(zhì)結(jié)就是用銦、鎵、鋁、磷、砷元素的不同組分材料制成的三明治結(jié)構(gòu)，光和載流子（即電子或空穴）都被約束在極薄的中間層，發(fā)生很強(qiáng)的相互作用，產(chǎn)生出激光。半導(dǎo)體激光器注入電流即可工作，功耗小，體積小，發(fā)光區(qū)剛好與光纖的芯子尺寸匹配，可靠性高，壽命超百萬小時。所有這些特性使之特別適合于光通信。

半導(dǎo)體激光器光纖通信中的光源

人們對光性質(zhì)的認(rèn)識逐漸深化，使我們今天光通信所依靠的核心技術(shù)——激光器、纖維光學(xué)、光放大器、光探測器成為可能。

激光器的發(fā)明就受益于愛因斯坦在1916年提出的受激輻射思想。自然界常見的發(fā)光一般是自發(fā)輻射，發(fā)出的光子方向、頻率等都是隨機(jī)的。如果光子入射到一個已吸收了光子被激發(fā)到高能級上的電子上，這個已激發(fā)的電子就不能再吸收那個光子。愛因斯坦認(rèn)為這時電子會被激勵發(fā)出一個跟入射的光子一樣的光子，稱為受激輻射。

激光器的原理和實現(xiàn)直到20世紀(jì)50年代才由湯斯等人完成。激光與普通光源不一樣，它具有很好的相干性：其所有光波的頻率相同，波谷波峰位置相同，方向性好，適合用來作為光通信的載波。

在信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮最重要作用的激光器是1961年出現(xiàn)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器。這要?dú)w功于俄羅斯的阿爾費(fèi)羅夫和美國的克羅默，他們因此獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎。

光纖最佳傳輸介質(zhì)

光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。光纖傳輸?shù)脑硎枪獾娜瓷?。半?dǎo)體激光器解決了光通信的光源問題，而傳輸介質(zhì)的解決要?dú)w功于“光纖通信之父”高錕。高錕并非發(fā)明了光纖，其實玻璃光導(dǎo)纖維很早就用于胃鏡等場合。但是一直到20世紀(jì)50年代，很少有人認(rèn)為光纖通信是可行的，原因就在于光學(xué)玻璃的損耗很大，約為1000分貝/千米（相當(dāng)于1千米后功率衰減到原來的1/10100），傳輸不了多遠(yuǎn)。

高錕的貢獻(xiàn)充分體現(xiàn)在1966年的一篇經(jīng)典論文中，他首先指出了石英光纖中的損耗來源，預(yù)期其中必有低損耗的“谷”，通過提高石英純度、降低雜質(zhì)的吸收，可以將石英光纖的損耗降低到20分貝/千米以下。其次是設(shè)計出中間為纖芯、外面是包層的單模圓光纖結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)非常完美，容易實現(xiàn)，適于長距傳輸。高錕因此獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎。

現(xiàn)代光通信雛形——光電話

1880年，美國人貝爾發(fā)明了用光作為載體傳送語音的光電話。在陽光下，當(dāng)人對著話筒講話時，振動片隨著語音的振動使得光的強(qiáng)弱發(fā)生變化，從而使語音信息加載到光波上。在接收端，一個拋物面接收鏡把光反射到光電池上，光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流。電流送到聽筒即可聽到發(fā)送端傳送來的聲音。光電話的發(fā)明證明了可以用光作為載體來傳遞信息，它是現(xiàn)代光通信的雛形。

波分復(fù)用將“彩虹”裝進(jìn)光纖

隨著半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖這兩項關(guān)鍵技術(shù)的突破，光纖通信進(jìn)入蓬勃發(fā)展時期，迄今已經(jīng)發(fā)展了五代，目前在通信干線上應(yīng)用最廣泛的是第五代即波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。正在研發(fā)并開始試用的是采用相干檢測和數(shù)字信號處理的新一代光纖通信系統(tǒng)。總的發(fā)展趨勢是傳輸更高的容量、更遠(yuǎn)的距離，降低傳輸?shù)某杀尽?/p>

所謂波分復(fù)用，就是在不同顏色（波長）的光波上分別調(diào)制上信號，合起來送進(jìn)同一根光纖傳輸，在接收端再將不同顏色（波長）的光波分開，就像是將彩虹塞進(jìn)一根光纖傳輸幾千千米再釋放出來，這樣一根光纖的容量可以增加幾十倍甚至上百倍。

石英單模光纖雖然損耗很小，但經(jīng)過100千米傳輸后，信號也會衰減到原來的1%，需要用摻鉺光纖放大器進(jìn)行放大。依靠摻鉺光纖放大器，可以無需電中繼就將高速光信號傳送幾千千米，甚至跨過大洋。波分復(fù)用系統(tǒng)加上摻鉺光纖放大器構(gòu)成了當(dāng)今主流的光通信技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)通信成本極低的關(guān)鍵。例如，大西洋海底光纜十幾年間話路成本降到了原來的1/3500。

多維度超大容量通信

光是一種電磁波，具有頻率、相位、偏振、幅度、時間、空間分布等物理參量，這6個參量就是6個維度，都可以利用起來增加通信容量。例如，波分復(fù)用就是在頻率（波長）維度增加信號數(shù)量，使傳輸容量增長上百倍。提高每個波長信號的調(diào)制速率，則是從時間維度上提高傳輸容量。光的相位和幅度可以用來實現(xiàn)先進(jìn)的復(fù)雜格式信號。

不過常用的光信號接收方式是直接測量光信號的功率，叫做直接檢測，這種方式丟掉了光信號的相位和偏振信息。近年來采用相干檢測，就是拿一個本地光波與傳送過來的光信號進(jìn)行比對，不僅可以知道光信號的幅度，還可以恢復(fù)出信號的偏振、相位等。這樣光波的6個維度就都可以利用了，從而大大增加傳輸容量。

自誕生以來，光纖的傳輸容量大約每4年增加10倍。2012年，日本的NTT實驗室報道了102太比特/秒（1太比特=1012）的相干光通信系統(tǒng)，這是到目前為止最高的單模光纖傳輸容量。我國的烽火通信于2014年也報道了相近的結(jié)果。不過要進(jìn)一步增加石英單模光纖的容量，將會碰到一個瓶頸，后續(xù)更可行的辦法可能是采用空分復(fù)用技術(shù)，比如在光纖中增加多個芯子，制成多芯光纖;增大纖芯的直徑，使光纖能夠支持幾個模式，制成少模光纖，每個芯子或模式傳輸不同的信號。2014年，NTT實驗室報道了采用多芯光纖的光通信系統(tǒng)，容量達(dá)到1貝脫比特/秒（1貝脫比特=1015），相當(dāng)于全世界70億人同時在一根光纖里打電話，還只用了不到1/4的容量。

回顧歷史，互聯(lián)網(wǎng)的普及依賴于低成本的高速光纖通信技術(shù)，而光纖通信的每一個里程碑技術(shù)都是光學(xué)基礎(chǔ)研究的成果。展望未來，我們相信依然會如此。

（責(zé)任編輯/王楓）