2.路漫漫其修遠(yuǎn)兮—光通信的發(fā)展之旅

盡管人類很早就已經(jīng)認(rèn)識到用光來傳遞信息（如3000多年前，我國的烽火臺—它是一種用光傳遞遠(yuǎn)距離信息的設(shè)施），但是，在其后的很多年中，除了燈光閃爍、旗語等傳遞信息的方法出現(xiàn)，光通信幾乎沒有什么大的發(fā)展。燈光閃爍、旗語都是非常原始的光通信方式，不能稱得上是完全意義上的光通信。

光纖中的光束

在近100年的時間里，電話的發(fā)明，被認(rèn)為是人類近代光通信的開始。隨著人們對通信的要求越來越高，20世紀(jì)60年代后，光通信獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。一般來說，今天我們所說的光通信是指“采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式”。當(dāng)今社會是一個信息社會，因而光通信的魅力正逐步地展現(xiàn)在人們的面前。

（1）電話—“光話”時代的開端

我們知道，光通信的出現(xiàn)比無線電通信要早。1876年，貝爾發(fā)明了光電話，這是光通信技術(shù)開始的標(biāo)志。1896年，波波夫發(fā)送與接收了第一封無線電報，這象征著人類社會無線電通信的開端。在貝爾本人看來，在他的全部發(fā)明中，光電話無疑是最偉大的發(fā)明。

數(shù)字式電話機(jī)

人們開始研究的光通信都是利用光在大氣中傳送信息，因為這種方式方便簡單。但是，不利的天氣條件嚴(yán)重阻礙傳輸信號。在大氣中傳送信息時，遇到下雨、下雪、陰天、霧天等天氣情況，信息會受到氣象條件的諸多限制，就會看不遠(yuǎn)和看不清，也就是我們常說的能見度降低。此外，從通信技術(shù)上看，太陽光、燈光等普通的可見光源都是帶有“噪聲”的光，即光不純，并不適合作為通信的光源。另一個問題是必須要有高強(qiáng)度、可靠的光源。

貝爾（1847—1922）

脈沖式電話機(jī)

（2）近代光纖通信—光也可以“走彎路”

1870年，英國物理學(xué)家廷德爾在他的實驗中觀察到，如果把光照射到盛滿水的容器內(nèi)，從出水口向外倒水，光線沿著水流傳播時，出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，也就是光“走了彎路”。這是由于在水流中出現(xiàn)了光的反射現(xiàn)象，使光看起來好像不符合光的直線傳播定律。實際上，這時的光仍然是沿著直線傳播的，但是以折線的方式前進(jìn)。從某一方面來講，光也可以“走彎路”。

光纖發(fā)光照明

廷德爾所觀察到的現(xiàn)象，直至1955年才得以投入到實際應(yīng)用。最初，這種光導(dǎo)纖維僅用在醫(yī)學(xué)上。通常，現(xiàn)代的光纖通信，應(yīng)用的是光的反射原理，即把光的全反射限制在光纖內(nèi)部，用光信號取代傳統(tǒng)通信方式中的電信號，從而實現(xiàn)了信息的傳遞過程。

（3）掃除攔路虎—光纖的誕生

光纖中的光束

人類一直以來，從未放棄過對理想的光傳輸介質(zhì)的尋找。經(jīng)過不懈的努力，終于發(fā)現(xiàn)了透明度很高的石英玻璃絲可以用來傳光，我們把這種玻璃絲稱為光學(xué)纖維，簡稱為“光纖”。之后人們用這種材料制造了在醫(yī)療上使用的內(nèi)窺鏡，如胃鏡，它可以傳送距離一米左右的體內(nèi)情況。但是，它只能用來傳送短距離信息，因為它的衰減損耗很大。通常，光的損耗程度是用每千米的分貝來衡量的。直到20世紀(jì)60年代，即使是最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每千米1000分貝以上。因此，在當(dāng)時，有很多的科學(xué)家和發(fā)明家放棄了光纖通信的研究，認(rèn)為用玻璃纖維通信希望渺茫。

知識小百科

光通信的曙光

光的損耗程度是用分貝為單位來衡量的，那么，每千米1000分貝的損耗是一個什么樣的概念呢？一般來說，每千米10分貝損耗就是指輸入的信號傳送1千米后只剩下了十分之一，而20分貝的損耗話則表示只剩下百分之一，30分貝只剩下千分之一，那么，1000分貝的損耗就意味著只剩下億百分之一。因此，那時的科學(xué)家和發(fā)明家都對玻璃纖維通信抱有很小的希望。

不過，后來，人們還是看到了光通信的曙光，這就是激光器和光纖的發(fā)明。當(dāng)時，在這兩方面的突破遇到了許多困難，尤其是光通信對于光纖損耗的要求。在這種情況下，出生于上海的英籍華人高錕（K.C.Kao），對光波通信作出了一個大膽的設(shè)想。他經(jīng)過了大量的實驗研究后，指出，既然電可以沿著金屬導(dǎo)線傳輸，那么，光也應(yīng)該可以沿著導(dǎo)光的玻璃纖維傳輸。1966年7月，在高錕的關(guān)于光纖傳輸前景并具有重大歷史意義的論文中，他大膽地預(yù)言：“只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，則就有可能使光纖的損耗從每千米1000分貝降低到每千米20分貝，因此它用于通信的功能就有了可能?！备咤K的這篇論文，大大地鼓舞了當(dāng)時的許多科學(xué)家，加強(qiáng)了他們?yōu)閷崿F(xiàn)低損耗光纖而努力的信心。

（4）舍我其誰—光纖通信的飛速發(fā)展

1970年，激光器和低損耗光纖這兩項關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得突破性的進(jìn)展，因此，光纖通信開始從理想變成可能。這一技術(shù)進(jìn)展立即引起了各國電信科技人員的重視并競相進(jìn)行研究和實驗。

這之后，美國的貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖的制作法，即CVD法。1977年，幾乎在同時，貝爾研究所與日本電報電話公司成功研制出了壽命長達(dá)100萬小時（即實際應(yīng)用中可用10年左右）的半導(dǎo)體激光器，它是一種真正意義上實用的激光器。1977年，在美國的芝加哥市，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)投入商用，速率為每秒45兆字節(jié)。

光纖線接頭

進(jìn)入實用階段以后的光纖通信，在應(yīng)用發(fā)展上極為迅速，我們從其應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)的多次更新?lián)Q代就可以看出來。70年代的光纖通信系統(tǒng)主要應(yīng)用多模光纖，80年代以后，開始逐漸采用單模光纖，等到進(jìn)入90年代以后，人們就已經(jīng)開始使用光纖放大器、波分復(fù)用（WDM）技術(shù)等新技術(shù)。廣泛地應(yīng)用于市內(nèi)電話中繼和長途的通信干線，已經(jīng)成為了通信線路的骨干。

光纖線

知識小百科

石英光纖

1970年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克成功研制出世界上第一根低損耗的石英光纖，它的傳輸損耗每千米只有20分貝，意味著光纖的透明程度已經(jīng)比普通玻璃的透明度高出了幾百倍。這一實際應(yīng)用的發(fā)明，標(biāo)志著光纖用于通信已經(jīng)有了現(xiàn)實的可能性，在當(dāng)時是令人感到非常震驚和鼓舞的。

（5）共和國的“光之路”

20世紀(jì)70年代，國外的低損耗光纖獲得突破性發(fā)展以后，我國也從1974年開始了低損耗光纖和光通信的研究工作。

70年代中期，我國研制出了低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器。1979年，北京和上海兩地分別建成了市話光纜通信試驗系統(tǒng)，它比世界上第一次現(xiàn)場試驗晚了兩年多。以上的這些成果，使我國成為當(dāng)時擁有光纜通信系統(tǒng)試驗段的幾個國家之一，標(biāo)志著我國光通信研究有了一個良好的開端。到了20世紀(jì)80年代末，我國光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了國際先進(jìn)水平的行列。

半導(dǎo)體激光器

從1991年以后，國家將重點從長途電纜通信系統(tǒng)的建立轉(zhuǎn)移到大力發(fā)展光纖通信上面來。在“八五”期間，我國已經(jīng)建成了總長度達(dá)33000公里、含22條光纜干線的“八橫八縱”的大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)。1999年1月，我國的第一條最高傳輸速率的國家一級干線（濟(jì)南至青島）系統(tǒng)建成，使其光纖通信的容量在原有的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了8倍。