通信之光

陳章淵 林邦姜

如今，互聯網已經成為人們日常生活中必不可少的一部分，互聯網上的信息靠什么傳送呢？答案是：通信技術。光纖通信、電纜通信和無線通信等技術構成了“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，80%以上的網絡流量會在光纖網絡上傳送。作為互聯網基石之一的光纖通信技術是如何發展起來的呢？

長久探索認識光的本質

光通信真正成為現實，是在人們對光的本質有了充分的認識之后。

古代人類就已經了解到光學的一些基本現象和規律。例如公元前5世紀，我國《墨經》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。而現代光學大致開始于17世紀，以荷蘭的斯涅爾給出折射定律為起點，幾百年間積累了豐富的光學知識。不過直到19世紀中葉，麥克斯韋用非常優美的方程組總結了人類對電和磁的認識，并發現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世紀最杰出的一項成就，是人類對光本質認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，構成了一個稱為電磁頻譜的世界，也就是今天各種通信技術所用的載體。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，但還不足以撐起我們今天的光通信技術。1905年，愛因斯坦在一篇解釋光電效應的論文中引入了光量子（光子）概念：光的能量不是連續的，而是一份一份的，等于一個常數乘以光的頻率。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，使人們認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的又一次革命性認識。

最古老的光通信：烽火臺

有文獻記載的最早的光通信要算我國的烽火臺告警系統了（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，構成警戒網絡，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。

啥是雙異質結？

雙異質結就是用銦、鎵、鋁、磷、砷元素的不同組分材料制成的三明治結構，光和載流子（即電子或空穴）都被約束在極薄的中間層，發生很強的相互作用，產生出激光。半導體激光器注入電流即可工作，功耗小，體積小，發光區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。

半導體激光器光纖通信中的光源

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

激光器的發明就受益于愛因斯坦在1916年提出的受激輻射思想。自然界常見的發光一般是自發輻射，發出的光子方向、頻率等都是隨機的。如果光子入射到一個已吸收了光子被激發到高能級上的電子上，這個已激發的電子就不能再吸收那個光子。愛因斯坦認為這時電子會被激勵發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直到20世紀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。

在信息產業中發揮最重要作用的激光器是1961年出現的雙異質結構半導體激光器。這要歸功于俄羅斯的阿爾費羅夫和美國的克羅默，他們因此獲得了2000年的諾貝爾物理學獎。

光纖最佳傳輸介質

光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。光纖傳輸的原理是光的全反射。半導體激光器解決了光通信的光源問題，而傳輸介質的解決要歸功于“光纖通信之父”高錕。高錕并非發明了光纖，其實玻璃光導纖維很早就用于胃鏡等場合。但是一直到20世紀50年代，很少有人認為光纖通信是可行的，原因就在于光學玻璃的損耗很大，約為1000分貝/千米（相當于1千米后功率衰減到原來的1/10100），傳輸不了多遠。

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

現代光通信雛形——光電話

1880年，美國人貝爾發明了用光作為載體傳送語音的光電話。在陽光下，當人對著話筒講話時，振動片隨著語音的振動使得光的強弱發生變化，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，光電池將光能轉換成電流。電流送到聽筒即可聽到發送端傳送來的聲音。光電話的發明證明了可以用光作為載體來傳遞信息，它是現代光通信的雛形。

波分復用將“彩虹”裝進光纖

隨著半導體激光器和低損耗光纖這兩項關鍵技術的突破，光纖通信進入蓬勃發展時期，迄今已經發展了五代，目前在通信干線上應用最廣泛的是第五代即波分復用傳輸系統。正在研發并開始試用的是采用相干檢測和數字信號處理的新一代光纖通信系統。總的發展趨勢是傳輸更高的容量、更遠的距離，降低傳輸的成本。

所謂波分復用，就是在不同顏色（波長）的光波上分別調制上信號，合起來送進同一根光纖傳輸，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。波分復用系統加上摻鉺光纖放大器構成了當今主流的光通信技術，是互聯網通信成本極低的關鍵。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，波分復用就是在頻率（波長）維度增加信號數量，使傳輸容量增長上百倍。提高每個波長信號的調制速率，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先進的復雜格式信號。

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行比對，不僅可以知道光信號的幅度，還可以恢復出信號的偏振、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，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果。不過要進一步增加石英單模光纖的容量，將會碰到一個瓶頸，后續更可行的辦法可能是采用空分復用技術，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，容量達到1貝脫比特/秒（1貝脫比特=1015），相當于全世界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，互聯網的普及依賴于低成本的高速光纖通信技術，而光纖通信的每一個里程碑技術都是光學基礎研究的成果。展望未來，我們相信依然會如此。

（責任編輯/王楓）