光通信技術(shù)漫談

看風(fēng)景的蝸牛君

西周末年，昏庸的周幽王為博褒姒一笑，命人點燃了烽火臺，召兵勤王，這就是歷史上著名的“烽火戲諸侯”的故事。雖然歷史學(xué)家對此典故的真實性提出了諸多質(zhì)疑，但古代烽火臺通過火光與狼煙進行遠程快速通信的方法卻是真實有效的，因此這也可以被視為最早的“光通信”的方法。

光通信的崛起

由于局限性，狼煙與烽火只能表達“有或無”，卻無法傳遞更多更復(fù)雜的信息。近代意義上真正的光通信是由貝爾發(fā)明的，貝爾在發(fā)明電話之后，進一步發(fā)明了一種利用光來進行通信的方法，并制成了“光電話”。

貝爾在論文《關(guān)于利用光線進行聲音的產(chǎn)生與復(fù)制》中闡述了光電話的原理：利用太陽光或弧光燈作為光源，將光束聚焦于話筒的震動片上，隨著人的講話，震動片反射的光也會產(chǎn)生強弱的變化（信號的調(diào)制），接收端通過拋物面把光信號聚焦到光電池上，將光電池電流變化轉(zhuǎn)化為聲音信號（信號的解調(diào)）。貝爾通過這種方法，實現(xiàn)了兩百多米的通信距離。雖然這在他所處的那個年代是一個了不起的技術(shù)成就，但是由于光在大氣中傳播損耗太過明顯，遠距離通信非常困難，有遮擋物時更是無法通信，因此光電話最終被束之高閣。

為了解決上述問題，科學(xué)家們提出了一種將光封閉在一個“管道”中進行通信的方案。因為光具有“全反射”的特性，因此我們可以選用恰當(dāng)折射率的材料，并在最外層進行包裹保護，制成這樣一條光的管道，這就是光纖的基本原理。

回首望去，擁有上帝視角的我們會覺得光纖的原理如此簡單，用于光通信似乎順理成章，但其實這一過程遠沒有我們想象的那么容易。最早用于制作光纖的玻璃材料損耗很大，根本無法用于遠距離通信；其他方面問題也很多，甚至連合適的光源都沒有。以科學(xué)家高錕為代表的科學(xué)家們奉獻了無數(shù)的汗水與智慧，最終讓光纖通信風(fēng)靡世界。

知識鏈接：光的全反射

所謂“全反射”，是指當(dāng)光從高折射率（nH）介質(zhì)進入低折射率（nL）介質(zhì)時，若入射角大于臨界角，那么光會被全部反射的現(xiàn)象。

說起“光纖通信”，相信大家并不陌生。畢竟對于活躍在互聯(lián)網(wǎng)時代的我們來說，“光纖入戶”早已不是一句口號，而是成為了日常生活中真正的一部分。如今，不少人尤其是青少年朋友們，享受著光纖通信高速度的同時，可能很難想象十年之前看低清晰度視頻都會有卡頓的情景。因為那時的“寬帶”還依賴于電話線，通過一種名為ADSL的技術(shù)實現(xiàn)，因此網(wǎng)速很有限。

很多人對光纖通信有一些誤解，誤以為之所以光纖通信比電纜通信等方式上網(wǎng)速度更快，是因為光的物理傳播速度更快。但實際上，電纜通信中的電信號也是以光速進行傳播的。光纖通信速率高于電纜通信的真正原因是光的頻率更高，因此能夠加載的信息量更大，也就是我們常說的帶寬更大。舉個不那么恰當(dāng)?shù)睦?，這就像是一邊是小汽車，一邊是大貨車，即便車速相等，但單位時間內(nèi)運送的貨物量卻不可同日而語。這個例子中，車的速度類比的是光的傳播速度，而車的載貨量類比的則是帶寬。

雖然理論上通信使用的光頻率越高、波長越短，信息加載的容量就會越高，但是現(xiàn)實中光纖通信使用的卻是近紅外光波（如波長1.55μm左右），而不是頻率更高的可見光。這是科學(xué)家綜合考慮光波長、光纖損耗、光源穩(wěn)定性、綜合成本等諸多因素后做出的選擇。比如，目前用于光通信的光纖對1.55μm幾乎完全透明，損耗相對較低；在光纖中摻雜一部分稀土元素鉺，則可以對1.55μm的入射光起到一定的放大作用，制成光纖信號放大器，實現(xiàn)信號的遠距離傳輸。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們對通信速率的要求越來越高，因此科學(xué)家也對光纖通信技術(shù)進行了多次革新。上文中筆者提到，將電纜換成光纖就像是將小汽車換成了大貨車。但大貨車的載貨量也是有限的，為了進一步提高通信速率，科學(xué)家想到了拓展信道的方法，就像是將狹窄的單車道換成了多個車道的寬馬路。

光通信發(fā)展前景

除了利用光的高頻率之外，光的其他特性也被充分利用起來，如波長、相位、偏振等。其中，比較典型的技術(shù)之一就是“波分復(fù)用”技術(shù)（定義可見《知識就是力量》2015年1月刊的國際光年專題）。波分復(fù)用中使用的各個波長就是獨立的信道，相互之間不會干擾，因此可以大大提高光纖通信的速率。除了將不同波長作為不同的信道，光的偏振也可以成為拓展信道的方法。因為光可以分解為正交的兩種偏振光，因此在波分復(fù)用的基礎(chǔ)上，信道數(shù)量又可以擴展兩倍。

近年來，科學(xué)家利用螺旋相位分布的軌道角動量光束，提出了一種理論上可以無限拓展信道的方法。軌道角動量是電磁波的一種固有屬性，使得電磁波傳播過程中呈現(xiàn)螺旋型的相位結(jié)構(gòu)。我們可以用“拓撲荷值”（一般用Ⅰ表示）來表述相位旋轉(zhuǎn)的快慢，不同拓撲荷值的光波傳播相互之間不受影響，因此可以作為獨立的信道。由于拓撲荷值可以取任意的整數(shù)值，因此理論上利用軌道角動量光束可以無限拓展光通信的信道，極大地提高通信速率。這也是如今光通信領(lǐng)域的研究熱點。

經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，光纖通信技術(shù)早已改變了世界的格局，讓我們足不出戶就可以訪遍全球，“地球村”變得名副其實。但是要注意的是，無論光通信的帶寬如何增加、信道如何拓展，信號的延遲依然會存在。這是由于光速雖然極快，但仍是一個有限的數(shù)值，如A地發(fā)出的信號依然要經(jīng)歷一段時間延遲才能夠到達B地，所以光通信中信號的延遲與通信速率是兩個完全不同的概念。例如，大家將家里的寬帶從10M升級為100M光纖，那么文件下載速度會明顯提升；但玩同一款網(wǎng)絡(luò)游戲、分別選擇國服（中國服務(wù)器）和美服（美國服務(wù)器）時，會發(fā)現(xiàn)美服的延遲比國服大很多，這是由于美服在大洋彼岸，距離太遠的緣故。

這種延遲一般情況下我們都不會在意，但在一些特殊場合卻顯得至關(guān)重要，一個典型的例子就是金融業(yè)的高頻交易領(lǐng)域。高頻交易使用計算機軟件算法進行自動操作，任何一點延時都會影響最終的結(jié)果。若是你能夠比競爭對手早一點獲取信息，那么在競爭中則會占據(jù)優(yōu)勢。歷史上一些投資人在芝加哥期貨市場和紐約證券交易所之間鋪設(shè)了一條1300千米的光纖線路，只是為了縮短3毫秒的延遲，獲取一點點交易上的優(yōu)勢。

正如前文所述，自由空間中光通信有著一些不可避免的劣勢，例如高損耗、易被遮擋等，但有時這些劣勢卻會變成優(yōu)勢。比如LIFI技術(shù)，通過對LED燈進行編碼，將作為照明光的可見光波作為通信載體，室內(nèi)小范圍區(qū)域速率很高、私密性好，防蹭網(wǎng)只需要遮上窗簾就可以了。