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(diǎn)燃了烽火臺(tái)，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(duì)此典故的真實(shí)性提出了諸多質(zhì)疑，但古代烽火臺(tái)通過(guò)火光與狼煙進(jìn)行遠(yuǎn)程快速通信的方法卻是真實(shí)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(dá)“有或無(wú)”，卻無(wú)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(huà)之后，進(jìn)一步發(fā)明了一種利用光來(lái)進(jìn)行通信的方法，并制成了“光電話(huà)”。

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

為了解決上述問(wèn)題，科學(xué)家們提出了一種將光封閉在一個(gè)“管道”中進(jìn)行通信的方案。因?yàn)楣饩哂小叭瓷洹钡奶匦裕虼宋覀兛梢赃x用恰當(dāng)折射率的材料，并在最外層進(jìn)行包裹保護(hù)，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(huì)覺(jué)得光纖的原理如此簡(jiǎn)單，用于光通信似乎順理成章，但其實(shí)這一過(guò)程遠(yuǎn)沒(méi)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(wú)法用于遠(yuǎn)距離通信；其他方面問(wèn)題也很多，甚至連合適的光源都沒(méi)有。以科學(xué)家高錕為代表的科學(xué)家們奉獻(xiàn)了無(wú)數(shù)的汗水與智慧，最終讓光纖通信風(fēng)靡世界。

知識(shí)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(jìn)入低折射率（nL）介質(zhì)時(shí)，若入射角大于臨界角，那么光會(huì)被全部反射的現(xiàn)象。

說(shuō)起“光纖通信”，相信大家并不陌生。畢竟對(duì)于活躍在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的我們來(lái)說(shuō)，“光纖入戶(hù)”早已不是一句口號(hào)，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(shí)，可能很難想象十年之前看低清晰度視頻都會(huì)有卡頓的情景。因?yàn)槟菚r(shí)的“寬帶”還依賴(lài)于電話(huà)線(xiàn)，通過(guò)一種名為ADSL的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此網(wǎng)速很有限。

很多人對(duì)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?yàn)楣獾奈锢韨鞑ニ俣雀臁５珜?shí)際上，電纜通信中的電信號(hào)也是以光速進(jìn)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(shuō)的帶寬更大。舉個(gè)不那么恰當(dāng)?shù)睦樱@就像是一邊是小汽車(chē)，一邊是大貨車(chē)，即便車(chē)速相等，但單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)送的貨物量卻不可同日而語(yǔ)。這個(gè)例子中，車(chē)的速度類(lèi)比的是光的傳播速度，而車(chē)的載貨量類(lèi)比的則是帶寬。

雖然理論上通信使用的光頻率越高、波長(zhǎng)越短，信息加載的容量就會(huì)越高，但是現(xiàn)實(shí)中光纖通信使用的卻是近紅外光波（如波長(zhǎng)1.55μm左右），而不是頻率更高的可見(jiàn)光。這是科學(xué)家綜合考慮光波長(zhǎng)、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(duì)1.55μm幾乎完全透明，損耗相對(duì)較低；在光纖中摻雜一部分稀土元素鉺，則可以對(duì)1.55μm的入射光起到一定的放大作用，制成光纖信號(hào)放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)通信速率的要求越來(lái)越高，因此科學(xué)家也對(duì)光纖通信技術(shù)進(jìn)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(chē)換成了大貨車(chē)。但大貨車(chē)的載貨量也是有限的，為了進(jìn)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(chē)道換成了多個(gè)車(chē)道的寬?cǎi)R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(lái)，如波長(zhǎng)、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(jiàn)《知識(shí)就是力量》2015年1月刊的國(guó)際光年專(zhuān)題）。波分復(fù)用中使用的各個(gè)波長(zhǎng)就是獨(dú)立的信道，相互之間不會(huì)干擾，因此可以大大提高光纖通信的速率。除了將不同波長(zhǎng)作為不同的信道，光的偏振也可以成為拓展信道的方法。因?yàn)楣饪梢苑纸鉃檎坏膬煞N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(kuò)展兩倍。

近年來(lái)，科學(xué)家利用螺旋相位分布的軌道角動(dòng)量光束，提出了一種理論上可以無(wú)限拓展信道的方法。軌道角動(dòng)量是電磁波的一種固有屬性，使得電磁波傳播過(guò)程中呈現(xiàn)螺旋型的相位結(jié)構(gòu)。我們可以用“拓?fù)浜芍怠保ㄒ话阌芒癖硎荆﹣?lái)表述相位旋轉(zhuǎn)的快慢，不同拓?fù)浜芍档墓獠▊鞑ハ嗷ブg不受影響，因此可以作為獨(dú)立的信道。由于拓?fù)浜芍悼梢匀∪我獾恼麛?shù)值，因此理論上利用軌道角動(dòng)量光束可以無(wú)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(diǎn)。

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(hù)就可以訪(fǎng)遍全球，“地球村”變得名副其實(shí)。但是要注意的是，無(wú)論光通信的帶寬如何增加、信道如何拓展，信號(hào)的延遲依然會(huì)存在。這是由于光速雖然極快，但仍是一個(gè)有限的數(shù)值，如A地發(fā)出的信號(hào)依然要經(jīng)歷一段時(shí)間延遲才能夠到達(dá)B地，所以光通信中信號(hào)的延遲與通信速率是兩個(gè)完全不同的概念。例如，大家將家里的寬帶從10M升級(jí)為100M光纖，那么文件下載速度會(huì)明顯提升；但玩同一款網(wǎng)絡(luò)游戲、分別選擇國(guó)服（中國(guó)服務(wù)器）和美服（美國(guó)服務(wù)器）時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)美服的延遲比國(guó)服大很多，這是由于美服在大洋彼岸，距離太遠(yuǎn)的緣故。

這種延遲一般情況下我們都不會(huì)在意，但在一些特殊場(chǎng)合卻顯得至關(guān)重要，一個(gè)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(jì)算機(jī)軟件算法進(jìn)行自動(dòng)操作，任何一點(diǎn)延時(shí)都會(huì)影響最終的結(jié)果。若是你能夠比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手早一點(diǎn)獲取信息，那么在競(jìng)爭(zhēng)中則會(huì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。歷史上一些投資人在芝加哥期貨市場(chǎng)和紐約證券交易所之間鋪設(shè)了一條1300千米的光纖線(xiàn)路，只是為了縮短3毫秒的延遲，獲取一點(diǎn)點(diǎn)交易上的優(yōu)勢(shì)。

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(shì)，例如高損耗、易被遮擋等，但有時(shí)這些劣勢(shì)卻會(huì)變成優(yōu)勢(shì)。比如LIFI技術(shù)，通過(guò)對(duì)LED燈進(jìn)行編碼，將作為照明光的可見(jiàn)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。