劉興亮 | 極簡光通信技術(shù)史

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光通信技術(shù)對常人而言是一門比較冷門的科學(xué)（實際近在咫尺），顧名思義，光通信就是利用光承載信息的遠距離通信技術(shù)。

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

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)代的司機在夜間駕駛汽車，無論超車或與對面來車錯車，都通過閃爍近光燈或遠光燈實現(xiàn)，在此過程中，光其實發(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)，比上述肉眼可見的閃爍要復(fù)雜得多，通過發(fā)射器（將信息編碼為光信號）、信號通道（將信號傳輸?shù)侥康牡兀┖徒邮掌鳎◤慕邮盏降墓庑盘栔性佻F(xiàn)信息）來實現(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，這需要整個系統(tǒng)的核心部件光模塊實現(xiàn)。信息先以電信號的形式（通常為二進制的「0」和「1」數(shù)據(jù)流）在發(fā)送端通過驅(qū)動半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管（LED）將電信號轉(zhuǎn)換為特定速率的調(diào)制光信號，這些信號經(jīng)由光纖介質(zhì)傳輸，在遠方由光接收機利用光探測二極管將光信號恢復(fù)為電信號，并經(jīng)過放大處理后輸出，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)的爆炸式增長提供了方案，使得信息傳輸?shù)男屎鸵?guī)模實現(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)光信號前進，可以將光從一端傳輸?shù)搅硪欢耍c電纜相比，可以實現(xiàn)更長的傳輸距離和更高的帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率），傳輸時不僅損耗更小，且不受電磁干擾。

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

電波分為短波、中波、長波的傳播頻率，光通信與電波在實質(zhì)是一樣的，只不過相比較而言，光的波長極短極短，因此頻率極高，可見光的頻率范圍處在430萬億赫茲（紅光）與750萬億赫茲（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)為直線傳播，遇到障礙物很難繞過去（波長太短，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)光纖通信依賴這一點），由此光通信技術(shù)應(yīng)用而生，蓬勃發(fā)展。

我們簡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驗，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，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·廷德爾(John Tyndall)在倫敦的公開演講中也演示了這一原理。

1870年，廷德爾還在一本關(guān)于光的性質(zhì)的入門書中寫到了全內(nèi)反射的特性。當(dāng)光從空氣進入水體時，折射光線會向垂線彎曲；當(dāng)光線從水體進入空氣時，它會偏離垂線。如果水中光線與水面垂線的夾角大于48度，光線將無法離開水面，它會在水面完全反射。標(biāo)志著全反射開始的極限角稱為介質(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封閉的通道內(nèi)不流失而傳向遠方的最早實驗探索。

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

04

二十世紀(jì)

1920年代，英國無線電實驗者克拉倫斯·W·漢斯?fàn)柡陀碾娨曄闰?qū)約翰·羅杰·貝爾德分別獨立證明了通過管道傳輸圖像的技術(shù)。

1930年代，德國醫(yī)科學(xué)生海因里希·拉姆證明可以通過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有受到重視。

1953年，荷蘭科學(xué)家Bram van Heel第一次通過實驗證實通過帶有透明包層的光纖束傳輸圖像。同年晚些時候，倫敦帝國理工學(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，隨后又通過由數(shù)千根光纖組成的75厘米長的光束實現(xiàn)了圖像傳輸。

1956年，美國密歇根大學(xué)的研究人員Basil Hirschowitz、C. Wilbur Peters和Lawrence E. Curtiss申請了第一臺實用的光纖半柔性胃鏡的專利。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，英國標(biāo)準(zhǔn)電話電纜公司(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。

1965年，德國物理學(xué)家曼弗雷德·伯納（Manfred B?rner）在烏爾姆的研究實驗室演示了首個可運行的光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并于1966年首次申請了該技術(shù)的專利。

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

1970年，美國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首次實現(xiàn)了20 dB/km這一至關(guān)重要的衰減極限。他們通過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，他們再次實現(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，美國通用電氣生產(chǎn)出熔融石英錠，可拉成25英里（40公里）長的光纖束。

1983年，貝爾實驗室的托馬斯·門薩（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和貝爾實驗室的Emmanuel Desurvire領(lǐng)導(dǎo)的兩個團隊開發(fā)了摻鉺光纖放大器，降低了長距離光纖系統(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，開始在主干網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用，開啟全球光纜時代。

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

05

二十一世紀(jì)

進入21世紀(jì)，伴隨互聯(lián)網(wǎng)和移動通信的爆炸式發(fā)展，尤其是如今人工智能的爆發(fā)，對帶寬的需求呈指數(shù)級增長。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)通過在單根光纖中同時傳輸多個不同波長的光信號，成倍提升了傳輸容量。

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

簡單說，光通信技術(shù)把人類世界「編織」成一張巨大的無所不在的光的網(wǎng)絡(luò)，讓信息以接近光速在地球流動、傳播，想想我們的手機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。

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間（DCI）對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。