01

光通信技術(shù)對(duì)常人而言是一門(mén)比較冷門(mén)的科學(xué)（實(shí)際近在咫尺），顧名思義，光通信就是利用光承載信息的遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。

在古代，燈塔其實(shí)就是航海領(lǐng)域的光通信應(yīng)用之一，當(dāng)船在夜晚行駛于海面上，能通過(guò)燈塔發(fā)出的光信號(hào)，獲知海岸的位置，暗礁或海島的存在，保證航行的路線(xiàn)和安全。

民用或軍事上的探照燈，也多少有光通信的含義在內(nèi)，比如古代的烽火戲諸侯，現(xiàn)代的司機(jī)在夜間駕駛汽車(chē)，無(wú)論超車(chē)或與對(duì)面來(lái)車(chē)錯(cuò)車(chē)，都通過(guò)閃爍近光燈或遠(yuǎn)光燈實(shí)現(xiàn)，在此過(guò)程中，光其實(shí)發(fā)揮了通訊的作用。

但是真正的光通信技術(shù)是電子化的通訊系統(tǒng)，比上述肉眼可見(jiàn)的閃爍要復(fù)雜得多，通過(guò)發(fā)射器（將信息編碼為光信號(hào)）、信號(hào)通道（將信號(hào)傳輸?shù)侥康牡兀┖徒邮掌鳎◤慕邮盏降墓庑盘?hào)中再現(xiàn)信息）來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信息傳播。

其工作原理基于光子與電子的相互轉(zhuǎn)換，這需要整個(gè)系統(tǒng)的核心部件光模塊實(shí)現(xiàn)。信息先以電信號(hào)的形式（通常為二進(jìn)制的「0」和「1」數(shù)據(jù)流）在發(fā)送端通過(guò)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定速率的調(diào)制光信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)由光纖介質(zhì)傳輸，在遠(yuǎn)方由光接收機(jī)利用光探測(cè)二極管將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大處理后輸出，完成信息的傳遞。

雖然信息的產(chǎn)生與最終使用仍離不開(kāi)電子系統(tǒng)，但光通信將抽象的「比特」流轉(zhuǎn)化為高速、低損耗的「光子」流，為數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)提供了方案，使得信息傳輸?shù)男屎鸵?guī)模實(shí)現(xiàn)了跨越式提升，又快有多又好。

02

我們天天上網(wǎng)，都熟悉「光纖」，光纖就是光通信的材料和通道。

光纖光纜是一種柔性玻璃或塑料纖維，光纖以極高的透明度引導(dǎo)光信號(hào)前進(jìn)，可以將光從一端傳輸?shù)搅硪欢?，與電纜相比，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離和更高的帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率），傳輸時(shí)不僅損耗更小，且不受電磁干擾。

實(shí)際上光和電場(chǎng)的傳播速度是一樣的（二者理論上都是電磁波速度），只不過(guò)在電阻存在的情況下，電流的傳播速度比較慢而已，但電流和電場(chǎng)是不同的概念。因此，電信號(hào)也罷，光信號(hào)也罷，都具有快速進(jìn)行的特征。

電波分為短波、中波、長(zhǎng)波的傳播頻率，光通信與電波在實(shí)質(zhì)是一樣的，只不過(guò)相比較而言，光的波長(zhǎng)極短極短，因此頻率極高，可見(jiàn)光的頻率范圍處在430萬(wàn)億赫茲（紅光）與750萬(wàn)億赫茲（紫光）之間，導(dǎo)致其幾乎不與電離層發(fā)生作用，不能靠「反射」繞地球傳播，在空氣或真空中主要表現(xiàn)為直線(xiàn)傳播，遇到障礙物很難繞過(guò)去（波長(zhǎng)太短，衍射效應(yīng)弱）。

但是凡事利弊相隨，光又因頻率極高，帶寬巨大，能承載海量信息（現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)光纖通信依賴(lài)這一點(diǎn)），由此光通信技術(shù)應(yīng)用而生，蓬勃發(fā)展。

我們簡(jiǎn)單梳理一下光通信技術(shù)的發(fā)展歷程，看看它是如何從理論到實(shí)驗(yàn)，逐步成為真正的應(yīng)用。

03

十九世紀(jì)

19世紀(jì)40年代初，瑞士物理學(xué)家丹尼爾·科拉東(Daniel Colladon)和雅克·巴比內(nèi)(Jacques Babinet)在巴黎首次演示了光的折射導(dǎo)波，這一原理使得光纖成為可能。

12年后，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·廷德?tīng)?John Tyndall)在倫敦的公開(kāi)演講中也演示了這一原理。

1870年，廷德?tīng)栠€在一本關(guān)于光的性質(zhì)的入門(mén)書(shū)中寫(xiě)到了全內(nèi)反射的特性。當(dāng)光從空氣進(jìn)入水體時(shí)，折射光線(xiàn)會(huì)向垂線(xiàn)彎曲；當(dāng)光線(xiàn)從水體進(jìn)入空氣時(shí)，它會(huì)偏離垂線(xiàn)。如果水中光線(xiàn)與水面垂線(xiàn)的夾角大于48度，光線(xiàn)將無(wú)法離開(kāi)水面，它會(huì)在水面完全反射。標(biāo)志著全反射開(kāi)始的極限角稱(chēng)為介質(zhì)的極限角。水的極限角是48°27′，火石玻璃的極限角是38°41′，鉆石是23°42′。這就是光纖能夠保持光在一個(gè)封閉的通道內(nèi)不流失而傳向遠(yuǎn)方的最早實(shí)驗(yàn)探索。

19世紀(jì)末，幾位維也納醫(yī)生利用彎曲的玻璃棒引導(dǎo)光線(xiàn)照亮體腔，這也算胃鏡技術(shù)的先祖行為吧。沒(méi)過(guò)多久，諸如牙科利用的近距離內(nèi)部照明等實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生。

04

二十世紀(jì)

1920年代，英國(guó)無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)者克拉倫斯·W·漢斯?fàn)柡陀?guó)的電視先驅(qū)約翰·羅杰·貝爾德分別獨(dú)立證明了通過(guò)管道傳輸圖像的技術(shù)。

1930年代，德國(guó)醫(yī)科學(xué)生海因里希·拉姆證明可以通過(guò)一束未包覆的光纖傳輸圖像，并將其用于內(nèi)部醫(yī)學(xué)檢查，不幸的是，他的具有重大意義的研究沒(méi)有受到重視。

1953年，荷蘭科學(xué)家Bram van Heel第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)通過(guò)帶有透明包層的光纖束傳輸圖像。同年晚些時(shí)候，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Harold Hopkins和Narinder Singh Kapany成功制作出包含10,000多根光纖的圖像傳輸束，隨后又通過(guò)由數(shù)千根光纖組成的75厘米長(zhǎng)的光束實(shí)現(xiàn)了圖像傳輸。

1956年，美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員Basil Hirschowitz、C. Wilbur Peters和Lawrence E. Curtiss申請(qǐng)了第一臺(tái)實(shí)用的光纖半柔性胃鏡的專(zhuān)利。他們生產(chǎn)出了第一根玻璃包層光纖，擺脫了之前用油和蠟作為低折射率的包層材料的困境。

1960年，激光器誕生，為光通信提供光源。同年，光纖之父納林德·辛格·卡帕尼在發(fā)表于《科學(xué)美國(guó)人》的文章中，向廣大讀者介紹了光纖這一概念，「光纖」一詞出現(xiàn)。

1965年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電話(huà)電纜公司(STC)的華裔科學(xué)家高錕（出生上海）和George A. Hockham首次提出光纖衰減可降至每公里20分貝(dB/km)以下，從而使光纖成為一種實(shí)用的通信媒介，他們明確制造這種光纖的正確材料為高純度石英玻璃。這一發(fā)現(xiàn)使高錕獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1965年，德國(guó)物理學(xué)家曼弗雷德·伯納（Manfred B?rner）在烏爾姆的研究實(shí)驗(yàn)室演示了首個(gè)可運(yùn)行的光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并于1966年首次申請(qǐng)了該技術(shù)的專(zhuān)利。

1968年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在送往月球的電視攝像機(jī)中秘密使用了光纖。

1970年，美國(guó)玻璃制造商康寧玻璃公司的研究人員Robert D. Maurer、Donald Keck、Peter C. Schultz和Frank Zimar首次實(shí)現(xiàn)了20 dB/km這一至關(guān)重要的衰減極限。他們通過(guò)在石英玻璃中摻雜鈦，演示了一種衰減為17dB/km的光纖材料。數(shù)年后，他們?cè)俅螌?shí)現(xiàn)突破，使用二氧化鍺作為纖芯摻雜劑，生產(chǎn)出了衰減僅為4dB/km的光纖。

1981年，美國(guó)通用電氣生產(chǎn)出熔融石英錠，可拉成25英里（40公里）長(zhǎng)的光纖束。

1983年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的托馬斯·門(mén)薩（Dr. Thomas Mensah），將生產(chǎn)速度提高到每秒50米以上，使光纖電纜比傳統(tǒng)的銅電纜更便宜。

1986年和1987年，由南安普頓大學(xué)的David N. Payne和貝爾實(shí)驗(yàn)室的Emmanuel Desurvire領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了摻鉺光纖放大器，降低了長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)的成本。

1988年，首條跨大西洋光纜TAT-8投入使用，光纖取代銅纜，開(kāi)始在主干網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用，開(kāi)啟全球光纜時(shí)代。

1991年，光子晶體光纖（photonic-crystal fiber）通過(guò)周期性結(jié)構(gòu)的衍射而非全內(nèi)反射來(lái)傳導(dǎo)光線(xiàn)，比傳統(tǒng)光纖能夠傳輸更高的功率，并且可以控制其波長(zhǎng)依賴(lài)性以提高性能。首批光子晶體光纖于2000年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

05

二十一世紀(jì)

進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的爆炸式發(fā)展，尤其是如今人工智能的爆發(fā)，對(duì)帶寬的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的普及應(yīng)用成為解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。該技術(shù)通過(guò)在單根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，成倍提升了傳輸容量。

此外，為突破傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）方式的帶寬利用率瓶頸，相干光通信技術(shù)被引入，通過(guò)更復(fù)雜的調(diào)制和檢測(cè)方式，極大地提高了頻譜效率和傳輸距離。

簡(jiǎn)單說(shuō)，光通信技術(shù)把人類(lèi)世界「編織」成一張巨大的無(wú)所不在的光的網(wǎng)絡(luò)，讓信息以接近光速在地球流動(dòng)、傳播，想想我們的手機(jī)和電腦每天能夠接收到的信息量，這都得益于光纖技術(shù)的發(fā)展。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間（DCI）對(duì)超高帶寬和低延遲的互連需求日益迫切。光通信正在逐步取代電連接，成為解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)和數(shù)據(jù)中心之間海量信息傳輸?shù)慕K極方案。

光通信意味著信息傳播的未來(lái)。