劉興亮 | 極簡光通信技術史

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光通信技術對常人而言是一門比較冷門的科學（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。

在古代，燈塔其實就是航海領域的光通信應用之一，當船在夜晚行駛于海面上，能通過燈塔發出的光信號，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，比如古代的烽火戲諸侯，現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，在此過程中，光其實發揮了通訊的作用。

但是真正的光通信技術是電子化的通訊系統，比上述肉眼可見的閃爍要復雜得多，通過發射器（將信息編碼為光信號）、信號通道（將信號傳輸到目的地）和接收器（從接收到的光信號中再現信息）來實現復雜的信息傳播。

其工作原理基于光子與電子的相互轉換，這需要整個系統的核心部件光模塊實現。信息先以電信號的形式（通常為二進制的「0」和「1」數據流）在發送端通過驅動半導體激光器（LD）或發光二極管（LED）將電信號轉換為特定速率的調制光信號，這些信號經由光纖介質傳輸，在遠方由光接收機利用光探測二極管將光信號恢復為電信號，并經過放大處理后輸出，完成信息的傳遞。

雖然信息的產生與最終使用仍離不開電子系統，但光通信將抽象的「比特」流轉化為高速、低損耗的「光子」流，為數據的爆炸式增長提供了方案，使得信息傳輸的效率和規模實現了跨越式提升，又快有多又好。

02

我們天天上網，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光信號前進，可以將光從一端傳輸到另一端，與電纜相比，可以實現更長的傳輸距離和更高的帶寬（數據傳輸速率），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，導致其幾乎不與電離層發生作用，不能靠「反射」繞地球傳播，在空氣或真空中主要表現為直線傳播，遇到障礙物很難繞過去（波長太短，衍射效應弱）。

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（現代互聯網光纖通信依賴這一點），由此光通信技術應用而生，蓬勃發展。

我們簡單梳理一下光通信技術的發展歷程，看看它是如何從理論到實驗，逐步成為真正的應用。

03

十九世紀

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

12年后，愛爾蘭物理學家約翰·廷德爾(John Tyndall)在倫敦的公開演講中也演示了這一原理。

1870年，廷德爾還在一本關于光的性質的入門書中寫到了全內反射的特性。當光從空氣進入水體時，折射光線會向垂線彎曲；當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。標志著全反射開始的極限角稱為介質的極限角。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不流失而傳向遠方的最早實驗探索。

19世紀末，幾位維也納醫生利用彎曲的玻璃棒引導光線照亮體腔，這也算胃鏡技術的先祖行為吧。沒過多久，諸如牙科利用的近距離內部照明等實際應用產生。

04

二十世紀

1920年代，英國無線電實驗者克拉倫斯·W·漢斯爾和英國的電視先驅約翰·羅杰·貝爾德分別獨立證明了通過管道傳輸圖像的技術。

1930年代，德國醫科學生海因里希·拉姆證明可以通過一束未包覆的光纖傳輸圖像，并將其用于內部醫學檢查，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，隨后又通過由數千根光纖組成的75厘米長的光束實現了圖像傳輸。

1956年，美國密歇根大學的研究人員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·卡帕尼在發表于《科學美國人》的文章中，向廣大讀者介紹了光纖這一概念，「光纖」一詞出現。

1965年，英國標準電話電纜公司(STC)的華裔科學家高錕（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。這一發現使高錕獲得了2009年諾貝爾物理學獎。

1965年，德國物理學家曼弗雷德·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據傳輸系統，并于1966年首次申請了該技術的專利。

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首次實現了20 dB/km這一至關重要的衰減極限。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。數年后，他們再次實現突破，使用二氧化鍺作為纖芯摻雜劑，生產出了衰減僅為4dB/km的光纖。

1981年，美國通用電氣生產出熔融石英錠，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），將生產速度提高到每秒50米以上，使光纖電纜比傳統的銅電纜更便宜。

1986年和1987年，由南安普頓大學的David N. Payne和貝爾實驗室的Emmanuel Desurvire領導的兩個團隊開發了摻鉺光纖放大器，降低了長距離光纖系統的成本。

1988年，首條跨大西洋光纜TAT-8投入使用，光纖取代銅纜，開始在主干網大規模應用，開啟全球光纜時代。

1991年，光子晶體光纖（photonic-crystal fiber）通過周期性結構的衍射而非全內反射來傳導光線，比傳統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年實現商業化。

05

二十一世紀

進入21世紀，伴隨互聯網和移動通信的爆炸式發展，尤其是如今人工智能的爆發，對帶寬的需求呈指數級增長。波分復用（WDM）技術的普及應用成為解決這一挑戰的關鍵。該技術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，為突破傳統強度調制/直接檢測（IM/DD）方式的帶寬利用率瓶頸，相干光通信技術被引入，通過更復雜的調制和檢測方式，極大地提高了頻譜效率和傳輸距離。

簡單說，光通信技術把人類世界「編織」成一張巨大的無所不在的光的網絡，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的發展。

隨著云計算、大數據、人工智能和物聯網的爆發式增長，數據中心內部和數據中心之間（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，成為解決數據中心內和數據中心之間海量信息傳輸的終極方案。

光通信意味著信息傳播的未來。