通信之光

如今，互联网已经成为人们日常生活中必不可少的一部分，互联网上的信息靠什么传送呢？答案是：通信技术。光纤通信、电缆通信和无线通信等技术构成了“通信世界”，人们将通信的能力称为带宽。光纤通信是能够提供最大带宽的通信技术，80%以上的网络流量会在光纤网络上传送。作为互联网基石之一的光纤通信技术是如何发展起来的呢？
　　长久探索认识光的本质
　　光通信真正成为现实，是在人们对光的本质有了充分的认识之后。
　　古代人类就已经了解到光学的一些基本现象和规律。例如公元前5世纪，我国《墨经》中对小孔成像、凹面镜成像的描述，古希腊欧几里得的光反射定律等。而现代光学大致开始于17世纪，以荷兰的斯涅尔给出折射定律为起点，几百年间积累了丰富的光学知识。不过直到19世纪中叶，麦克斯韦用非常优美的方程组总结了人类对电和磁的认识，并发现电磁波的速度刚好等于已知的光速，才判断出光是电磁波。麦克斯韦的工作堪称人类19世纪最杰出的一项成就，是人类对光本质认识的一个革命性变化。
　　从无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光到X射线、伽马射线，它们都是电磁波，传播速度为光速，构成了一个称为电磁频谱的世界，也就是今天各种通信技术所用的载体。振动频率的定义可以用鼓声振动来做个类比，若每秒钟敲一下鼓，我们称其振动频率为1赫兹。电磁波的频率越高，可用来携带信息的带宽就越大。光纤通信的可用带宽远大于移动通信。
　　麦克斯韦的电磁波理论成就了无线电报、有线电话等通信技术，但还不足以撑起我们今天的光通信技术。1905年，爱因斯坦在一篇解释光电效应的论文中引入了光量子（光子）概念：光的能量不是连续的，而是一份一份的，等于一个常数乘以光的频率。也就是说一束光是由许多分立的光子组成的。光子概念，以及大约20年后由海森堡、薛定谔、狄拉克等人建立的量子力学，使人们认识到光的某些特性像波，另一些特性又像粒子，称为波粒二象性。这是人类对光的本质的又一次革命性认识。
　　最古老的光通信：烽火台
　　有文献记载的最早的光通信要算我国的烽火台告警系统了（公元前771年）。烽火用来传递军情信息。遇到敌人来袭，白天点燃掺有狼粪的柴草，让浓烟直上云霄，称为“燧”;夜晚则燃烧加有硫黄和硝石的干柴，使火光通明，称为“烽”。一个个烽燧台相连，构成警戒网络，以可见的狼烟和火光向各方报警。这种方式即是最原始的长距离光通信。
　　啥是双异质结？
　　双异质结就是用铟、镓、铝、磷、砷元素的不同组分材料制成的三明治结构，光和载流子（即电子或空穴）都被约束在极薄的中间层，发生很强的相互作用，产生出激光。半导体激光器注入电流即可工作，功耗小，体积小，发光区刚好与光纤的芯子尺寸匹配，可靠性高，寿命超百万小时。所有这些特性使之特别适合于光通信。
　　半导体激光器光纤通信中的光源
　　人们对光性质的认识逐渐深化，使我们今天光通信所依靠的核心技术——激光器、纤维光学、光放大器、光探测器成为可能。
　　激光器的发明就受益于爱因斯坦在1916年提出的受激辐射思想。自然界常见的发光一般是自发辐射，发出的光子方向、频率等都是随机的。如果光子入射到一个已吸收了光子被激发到高能级上的电子上，这个已激发的电子就不能再吸收那个光子。爱因斯坦认为这时电子会被激励发出一个跟入射的光子一样的光子，称为受激辐射。
　　激光器的原理和实现直到20世纪50年代才由汤斯等人完成。激光与普通光源不一样，它具有很好的相干性：其所有光波的频率相同，波谷波峰位置相同，方向性好，适合用来作为光通信的载波。
　　在信息产业中发挥最重要作用的激光器是1961年出现的双异质结构半导体激光器。这要归功于俄罗斯的阿尔费罗夫和美国的克罗默，他们因此获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
　　光纤最佳传输介质
　　光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤传输的原理是光的全反射。半导体激光器解决了光通信的光源问题，而传输介质的解决要归功于“光纤通信之父”高锟。高锟并非发明了光纤，其实玻璃光导纤维很早就用于胃镜等场合。但是一直到20世纪50年代，很少有人认为光纤通信是可行的，原因就在于光学玻璃的损耗很大，约为1000分贝/千米（相当于1千米后功率衰减到原来的1/10100），传输不了多远。
　　高锟的贡献充分体现在1966年的一篇经典论文中，他首先指出了石英光纤中的损耗来源，预期其中必有低损耗的“谷”，通过提高石英纯度、降低杂质的吸收，可以将石英光纤的损耗降低到20分贝/千米以下。其次是设计出中间为纤芯、外面是包层的单模圆光纤结构。这种结构非常完美，容易实现，适于长距传输。高锟因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。
　　现代光通信雏形——光电话
　　1880年，美国人贝尔发明了用光作为载体传送语音的光电话。在阳光下，当人对着话筒讲话时，振动片随着语音的振动使得光的强弱发生变化，从而使语音信息加载到光波上。在接收端，一个抛物面接收镜把光反射到光电池上，光电池将光能转换成电流。电流送到听筒即可听到发送端传送来的声音。光电话的发明证明了可以用光作为载体来传递信息，它是现代光通信的雏形。
　　波分复用将“彩虹”装进光纤
　　随着半导体激光器和低损耗光纤这两项关键技术的突破，光纤通信进入蓬勃发展时期，迄今已经发展了五代，目前在通信干线上应用最广泛的是第五代即波分复用传输系统。正在研发并开始试用的是采用相干检测和数字信号处理的新一代光纤通信系统。总的发展趋势是传输更高的容量、更远的距离，降低传输的成本。
　　所谓波分复用，就是在不同颜色（波长）的光波上分别调制上信号，合起来送进同一根光纤传输，在接收端再将不同颜色（波长）的光波分开，就像是将彩虹塞进一根光纤传输几千千米再释放出来，这样一根光纤的容量可以增加几十倍甚至上百倍。
　　石英单模光纤虽然损耗很小，但经过100千米传输后，信号也会衰减到原来的1%，需要用掺铒光纤放大器进行放大。依靠掺铒光纤放大器，可以无需电中继就将高速光信号传送几千千米，甚至跨过大洋。波分复用系统加上掺铒光纤放大器构成了当今主流的光通信技术，是互联网通信成本极低的关键。例如，大西洋海底光缆十几年间话路成本降到了原来的1/3500。
　　多维度超大容量通信
　　光是一种电磁波，具有频率、相位、偏振、幅度、时间、空间分布等物理参量，这6个参量就是6个维度，都可以利用起来增加通信容量。例如，波分复用就是在频率（波长）维度增加信号数量，使传输容量增长上百倍。提高每个波长信号的调制速率，则是从时间维度上提高传输容量。光的相位和幅度可以用来实现先进的复杂格式信号。
　　不过常用的光信号接收方式是直接测量光信号的功率，叫做直接检测，这种方式丢掉了光信号的相位和偏振信息。近年来采用相干检测，就是拿一个本地光波与传送过来的光信号进行比对，不仅可以知道光信号的幅度，还可以恢复出信号的偏振、相位等。这样光波的6个维度就都可以利用了，从而大大增加传输容量。
　　自诞生以来，光纤的传输容量大约每4年增加10倍。2012年，日本的NTT实验室报道了102太比特/秒（1太比特=1012）的相干光通信系统，这是到目前为止最高的单模光纤传输容量。我国的烽火通信于2014年也报道了相近的结果。不过要进一步增加石英单模光纤的容量，将会碰到一个瓶颈，后续更可行的办法可能是采用空分复用技术，比如在光纤中增加多个芯子，制成多芯光纤;增大纤芯的直径，使光纤能够支持几个模式，制成少模光纤，每个芯子或模式传输不同的信号。2014年，NTT实验室报道了采用多芯光纤的光通信系统，容量达到1贝脱比特/秒（1贝脱比特=1015），相当于全世界70亿人同时在一根光纤里打电话，还只用了不到1/4的容量。
　　回顾历史，互联网的普及依赖于低成本的高速光纤通信技术，而光纤通信的每一个里程碑技术都是光学基础研究的成果。展望未来，我们相信依然会如此。
　　（责任编辑/王枫）