深度解析光纖通信的前世今生

1841年，Daniel Colladon和Jacques Babinet這兩位科學(xué)家做了一個簡單的實驗：

在裝滿水的木桶上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲。

光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。

這是為什么呢？難道光線不是直線傳輸嗎？

這一現(xiàn)象，叫做光的全內(nèi)反射作用。即光從水中射向空氣，當(dāng)入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。實際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內(nèi)表面上發(fā)生了多次全反射，光線經(jīng)過多次全反射向前傳播。

1880年，亞歷山大·貝爾（Alexander Graham Bell）發(fā)明了“光話機”。貝爾將太陽光聚成一道極為狹窄的光束，照射在很薄的鏡子上，當(dāng)人們發(fā)出聲音的“聲波”讓這面薄鏡產(chǎn)生振動時，“反射光”強度的變化使得感應(yīng)的偵測器產(chǎn)生變動，改變“電阻”值。而接收端則利用變化的“電阻”值產(chǎn)生電流，還原成原來的“聲波”。

當(dāng)貝爾測試“光話機”成功時，他寫下了：

“我聽到光線的笑聲、咳嗽聲和歌唱聲?！?/p>

不過，他的這項發(fā)明僅能傳播約200米，因為由空氣傳遞的光束，光線強度仍會隨距離增加而迅速減弱。

當(dāng)時貝爾雖曾預(yù)測，這項發(fā)明在科學(xué)世界里，這將遠比電話、留聲機和麥克風(fēng)更有趣。

由于光線在空氣中的衰減速度很快，因此人們想到了利用物質(zhì)傳導(dǎo)光，正如Daniel Colladon和Jacques Babinet的演示那樣，讓“光波”在水柱中傳播。

但是，在1841年那個水桶演示之后的近60年里，光的全內(nèi)反射原理僅僅用于短距離傳播領(lǐng)域。比如，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，牙科醫(yī)生用彎曲的玻璃棒來把燈光導(dǎo)入病人的口腔為手術(shù)照明。

盡管玻璃纖維從文藝復(fù)興時期就開始被廣泛應(yīng)用，玻璃工人可以生產(chǎn)出精美的花瓶和工藝品。但是，要解決光導(dǎo)長距離傳輸，必須將玻璃棒拉成十分堅固和柔韌的玻璃纖維。

1887年，一位叫Charles Vernon Boys的英國科學(xué)家，在一根加熱過的玻璃棒附近放了一張弓，當(dāng)玻璃棒足夠熱時，把箭射出去，箭帶動熱玻璃在實驗室里拉出了一道長長的纖細玻璃纖維。

這根“光纖”，足足有9英尺長（約2.74米）

這無疑讓光纖通信的發(fā)展又前進了一大步。不過，和1841年那次水桶演示后發(fā)生的情況一樣，實驗終歸是實驗，邁向下一步我們又足足等了50年。

直到1938年，美國Owens Illinois Glass公司與日本日東紡績公司才開始生產(chǎn)玻璃長纖維。

但是，這個時候生產(chǎn)的光纖是裸纖，沒有包層。

我們知道，光纖的傳播是利用全內(nèi)反射原理，全內(nèi)反射角由介質(zhì)的折射系數(shù)決定，裸纖會引起光泄漏，光甚至?xí)恼掣皆诠饫w上的油污泄漏出去。

包層的問題，直到1950年后才得以解決。

1951年，光物理學(xué)家Brian O’Brian提出了包層的概念。然后，有人試圖用人造黃油作為包層，但并不實用。

1956年，密歇根大學(xué)的一位學(xué)生制作了第一個玻璃包層光纖，他用一個折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

玻璃包層很快成為標(biāo)準(zhǔn)，后來塑料包層也相繼出現(xiàn)。

眾所周知，光纖是利用光在玻璃或塑料制成的纖維中，基于全內(nèi)反射原理形成光傳導(dǎo)。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。

1960年代，電信工程師們正在尋找更多的傳輸帶寬方式。無線電、微波的頻率已不能滿足增長中的電視、電話對帶寬的要求，因此他們想找一種更高的頻率來承載信號。電話公司認(rèn)為即將到來的可視電話，又會增加對帶寬的需求。

1960年，Theodore Maiman 向人們展示了第一臺激光器。這燃起了人們對光通信的興趣，激光看起來是很有前途的通信方式，可以解決傳輸帶寬問題，很多實驗室開始了實驗。

不過，很快他們發(fā)現(xiàn)，空氣并不是激光通信傳播的優(yōu)良介質(zhì)，受天氣的影響太嚴(yán)重了。自然，工程師們把目光轉(zhuǎn)移到光纖上。

有了發(fā)光源，包層的問題也解決了，看起來光纖通信到來的日子不遠了。然而，接下來的問題讓不少人打了退堂鼓。

有了包層的光纖，不過是能做成靈活的內(nèi)窺鏡進入人體的咽喉、胃部、結(jié)腸，而其使用于內(nèi)窺鏡中，光傳播3米能量就損失一半。用于人體內(nèi)臟檢查還可以，但用于長距離的光通信，簡直天方夜譚。

光纖傳播損耗太大，不適合于通信，很多工程師放棄了光纖通信的嘗試。

但總是有些人不肯輕言放棄。他們決定，一定要找出影響光纖損耗的因素到底是什么。

終于在1966年，年輕的工程師、英藉華人高錕（K.C.Kao）得出了一個光纖通信史上突破性的結(jié)論：

損耗主要是由于材料所含的雜質(zhì)引起，并非玻璃本身。

“光纖之父”高錕

他預(yù)言，光束在高純度的光纖中傳播至少500米時，還有10%的能量剩余。

騷年，你在開玩笑吧？對于很多人而言，這個預(yù)言如同神話一樣。

1966年7月，高錕就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有歷史意義的論文。該文分析了造成光纖傳輸損耗的主要原因，從理論上闡述了有可能把損耗降低到20dB/公里的見解，并提出這樣的光纖將可用于通信。

現(xiàn)在大家都知道，43年后，高錕因為這篇論文獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎。

可是在當(dāng)時，很多人都認(rèn)為這是天方夜譚。

高錕像傳道士一樣到處推銷他的信念，他遠赴日本、德國，甚至美國大名鼎鼎的貝爾實驗室。對于自己相信的東西，高錕很固執(zhí)。也許正是出于這樣的“固執(zhí)”，高錕的論文消除了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的疑慮，證明了光導(dǎo)纖維傳輸信息的可行性，大家馬上就跟上來了。

后來光纖變成了熱點，工業(yè)界投入人力和財力，科學(xué)家、工程師全力以赴。

四年以后，美國康寧公司就真的拉出來了20dB/公里的光纖。

美國康寧公司

康寧公司第一個實現(xiàn)了與理論一致的結(jié)果，并突破了高錕所提出的每公里衰減20分貝（20dB/km）關(guān)卡，證明光纖作為通信介質(zhì)的可能性。

與此同時，使用砷化鎵（GaAs）作為材料的半導(dǎo)體激光（semiconductor laser），也被貝爾實驗室發(fā)明出來，并且憑借著體積小的優(yōu)勢而大量運用于光纖通信系統(tǒng)中。

至此，光纖才真正開始應(yīng)用于光纖通信。因此，我們把1966年稱為光纖通信的誕生年。

從那以后，光纖通信正式開始揭開序幕…...

1972年，傳輸損耗降低至4dB/km。

1973年，我國郵電部武漢郵電學(xué)院開始研究光纖通信。

1974年，美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法——CVD法（汽相沉積法），使光纖傳輸損耗降低到1.1dB/km。

1976年，貝爾實驗室在亞特蘭大建成第一條光纖通信實驗系統(tǒng)，采用了西方電氣公司制造的含有144根光纖的光纜。第一條速率為44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)在地下渠道中誕生。

此時，日本電報電話公司開始了64km、32Mbit/s突變折射率光纖系統(tǒng)的室內(nèi)試驗，并研制成功1.3微米波長的半導(dǎo)體激光器。

1978年，我國自行研制出通信光纜，采用的是多模光纖，纜心結(jié)構(gòu)為層絞式。

1979年，日本電報電話公司研制出0.2db/km的極低損耗石英光纖（1.5微米）。

第一個商用的光纖通信系統(tǒng)問世。這個人類史上第一個光纖通信系統(tǒng)，使用波長800nm的砷化鎵激光作為光源，傳輸?shù)乃俾蔬_到45Mb/s，每10公里需要一個中繼器增強信號。

接著，第二代商用光纖通信系統(tǒng)也問世了。它使用波長1300nm的磷砷化鎵銦（InGaAsP）激光。

早期的光纖通信系統(tǒng)雖然因色散（dispersion）問題影響了信號質(zhì)量，但是1981年單模光纖（single-mode fiber）的發(fā)明克服了這個問題。

到了1987年時，一個商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)高達1.7Gb/s，比第一個光纖通信系統(tǒng)的速率快將近四十倍。同時傳輸?shù)墓β逝c信號衰減的問題也有顯著改善，間隔50公里才需要一個中繼器增強信號。

1980年代末，EDFA的誕生堪稱光纖通信史上的一個里程碑事件。它使光纖通信可直接進行光中繼，使長距離高速傳輸成為可能，并促使DWDM的誕生。

到了第三代的光纖通信系統(tǒng)，改用波長1550nm的激光做光源，而且信號的衰減已經(jīng)低至每公里0.2分貝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化鎵銦激光的光纖通信系統(tǒng)常常遭遇到脈波延散（pulse spreading）問題，而科學(xué)家則設(shè)計出色散遷移光纖（dispersion-shifted fiber）來解決這些問題。這種光纖在傳遞1550nm的光波時，色散幾乎為零，因其可將激光的光譜限制在單一縱模（longitudinal mode）。

這些技術(shù)上的突破，使得第三代光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率達到2.5Gb/s，而且中繼器的間隔可達到100公里。

第四代光纖通信系統(tǒng)引進光放大器（optical amplifier），進一步減少中繼器的需求。另外，波分復(fù)用（wavelength-division multiplexing, WDM）技術(shù)則大幅增加了傳輸速率。

這兩項技術(shù)的發(fā)展，讓光纖通信系統(tǒng)的容量以每六個月增加一倍的方式大幅躍進，到了2001年時已經(jīng)到達10Tb/s的驚人速率，足足是80年代光纖通信系統(tǒng)的200倍之多。

后來，傳輸速率進一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一個中繼器。

第五代光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的重心在于擴展波分復(fù)用器的波長操作范圍。傳統(tǒng)的波長范圍，也就是一般俗稱的“C band”約是1530nm至1570nm之間，新一帶的無水光纖（dry fiber）低損耗的波段則延伸到1300nm至1650nm間。

另外一個發(fā)展中的技術(shù)是引進光孤子（optical soliton）的概念，利用光纖的非線性效應(yīng)，讓脈波能夠抵抗色散而維持原本的波形。

作為20世紀(jì)人類社會所取得的最偉大的技術(shù)成就之一，光纖通信技術(shù)是人類向信息化時代邁進不可替代的重要基石。如果沒有光纖通信的發(fā)明，就沒有舒適和便利的互聯(lián)網(wǎng)生活。