世界电信日 | 带你读懂光纤通信的前世今生
发布日期：2024-05-17
来源：光电产业网
作者：吴江光电产业商会
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1841年，Daniel Colladon和Jacques Babinet两位科学家分别演示了光的全反射原理，他们做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲。
人们发现，光能沿着从水桶中喷出的细流中传输；人们还发现，光能顺着弯曲的水流前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这一现象叫光的全内反射作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。
1880年，贝尔(Alexander Graham Bell)发明了“光话机”。贝尔将太阳聚成一道极为狭窄的光束，照射在很薄的镜子上，当人们发出声音的“声波”让这面薄镜产生振动时，“反射光”强度的变化使得感应的侦测器产生变动，改变“电阻”值。而接收端则利用变化的“电阻”值产生电流，还原成原来的“声波”。当贝尔测试“光话机”成功时，他写下了：
我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声。
他的这项发明仅能传播约200米，因为由空气传递的光束，光线强度仍会随距离迅速减弱。
当时贝尔虽曾预测这项发明：
在科学世界里，这将远比电话、留声机和麦克风更有趣。
由于光线在空气中的衰减速度很快，因此，人们想到了利用物质传导光，正如Daniel Colladon和Jacques Babinet的演示那样，让“光波”在由桶底流出的水柱中传播。但是，在1841年那个水桶演示之后的近60年里，光的全内反射原理仅仅用于短距离传播领域。比如，应用于医学，牙科医生用弯曲的玻璃棒来把灯光导入病人的口腔为手术照明。
尽管玻璃纤维从文艺复兴时期就开始被广泛应用，玻璃工人可以生产出精美的花瓶和工艺品。但是，要解决光导长距离传输必须将玻璃棒拉成十分坚固和柔韧的玻璃纤维。1887年，一位英国科学家Charles Vernon Boys，在一根加热过的玻璃棒附近放了一张弓，当玻璃棒足够热时，把箭射出去，箭带动热玻璃在实验室里拉出了一道长长的纤细的玻璃纤维。
这无疑让光纤通信又前进了一大步，不过，和1841年那次水桶演示后发生的情况一样，实验终归是实验，迈向下一步我们又足足等了50年。直到1938年，美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司才开始生产玻璃长纤维。
我们知道，光纤的传播是利用全内反射原理，全内反射角由介质的折射系数决定，裸纤会引起光泄漏，光甚至会从粘附在光纤上的油污泄漏出去。1951年，光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。1956年，密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤，他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。众所周知，光纤利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全内反射原理达成光传导。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。1960年代，电信工程师们正在寻找更多的传输带宽。无线电、微波的频率已不能满足增长中的电视、电话对带宽的要求，因此他们想找一种更高的频率来承载信号。电话公司认为即将到来可视电话又会增加对带宽的需求。1960年，Theodore Maiman 向人们展示了第一台激光器。这燃起了人们对光通信的兴趣，激光看起来是很有前途的通信方式，可以解决传输带宽问题，很多实验室开始了实验。
不过，很快他们发现，空气并不是激光通信传播的优良介质，受天气的影响太严重了。自然，工程师们把目光转移到光纤上。有了发光源，包层的问题也解决了，看起来光纤通信到来的日子不远了。然而，接下来的问题让不少人打了退堂鼓。有了包层的光纤，不过是能做成灵活的内窥镜进入人体的咽喉、胃部、结肠，而其使用于内窥镜中，光传播3米能量就损失一半，用于人体内脏检查还可以，但用于长距离的光通信，仿佛天方夜谭。光纤传播损耗太大，不适合于通信，很多工程师放弃了光纤通信的尝试。这些透明的固体材料大量吸收光，并不适用于光通信，很多工程师坚定的确认了这一事实。总是有些人不肯轻言放弃。他们决定探索影响光纤损耗的因素到底是什么？
光纤之父 — 高锟
终于，1966年，年轻的工程师，英藉华人高锟（K.C.Kao）得出了一个光纤通信史上突破性的结论：
损耗主要是由于材料所含的杂质引起，并非玻璃本身。
他预言，光束在高纯度的光纤中传播至少500米时，还有10%的能量剩余。1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有历史意义的论文。该文分析了造成光纤传输损耗的主要原因，从理论上阐述了有可能把损耗降低到20dB／km的见解，并提出这样的光纤将可用于通信。为此，高锟获得了2009年诺贝尔物理学奖。高锟像传道士一样到处推销他的信念，他远赴日本、德国，甚至美国大名鼎鼎的贝尔实验室。对于自己相信的东西，高锟很固执。也许正是出于这样的“固执”，高锟的论文，消除了学术界、工业界的疑虑，证明了光导纤维传输信息的可行性。他这篇文章一发表，把大家都激励起来了，光纤变成了热点。工业界投入人力和财力，科学家、工程师全力以赴。很快，四年以后，美国康宁公司就真的拉出来了20dB/km的光纤。康宁公司第一个实现了与理论一致的结果，并突破了高锟所提出的每千米衰减20分贝关卡，证明光纤作为通信介质的可能性。与此同时，使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光（semiconductor laser）也由贝尔实验室发明出来，并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。至此，光纤才真正开始应用于光纤通信，因此，我们把1966年称为光纤通信的诞生年。光纤通信正式开始揭开序幕……1973年，我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信。1974年，美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法——CVD法(汽相沉积法)，使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。1976年，贝尔实验室在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统，采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在地下渠道中诞生。此时，日本电报电话公司开始了64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功 1.3微米波长的半导体激光器。1978年，我国自行研制出通信光缆，采用的是多模光纤，缆心结构为层绞式。1979年，日本电报电话公司研制出0.2db/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）。第一个商用的光纤通信系统问世。人类史上第一个光纤通信系统使用波长800纳米的砷化镓激光作为光源，传输速率达到45Mb/s，每10km需要一个中继器增强信号。接着，第二代的商用光纤通信系统也问世了。它使用波长1300纳米的磷砷化镓铟激光。早期的光纤通信系统虽然因色散的问题而影响了信号质量，但是1981年单模光纤的发明克服了这个问题。到了1987年时，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统的速率快将近四十倍。同时传输功率与信号衰减的问题也有显著改善，间隔50km才需要一个中继器增强信号。1980年代末，EDFA的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑式的事件，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使DWDM的诞生。到了第三代的光纤通信系统，改用波长1550纳米的激光做光源，而且信号的衰减已经低至0.2dB/km。之前使用磷砷化镓铟激光的光纤通信系统常常遭遇到脉波延散问题，科学家则设计出色散迁移光纤来解决这些问题，这种光纤在传递1550纳米的光波时，色散几乎为零，因其可将激光光的光谱限制在单一纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100km远。第四代光纤通信系统引进光放大器，进一步减少中继器的需求。另外，波分复用技术则大幅增加传输速率。这两项技术的发展让光纤通信系统的容量以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率，足足是80年代光纤通信系统的200倍之多。后来，传输速率已经进一步增加到14Tb/s，每隔160km才需要一个中继器。第五代光纤通信系统发展的重心在于扩展波分复用器的波长操作范围。传统的波长范围，也就是一般俗称的“C band”约是1530纳米至1570纳米之间，新一代的无水光纤低损耗的波段则延伸到1300纳米至1650纳米间。另外一个发展中的技术是引进光孤子的概念，利用光纤的非线性效应，让脉波能够抵抗色散而维持原本的波形。作为20世纪人类社会所取得的最伟大的技术成就之一，光纤通信技术是人类向信息化时代迈进不可替代的重要基石。如果没有光纤通信的发明，就没有今天的信息社会，无法想象今天的光宽带和移动互联网生活。正是这些伟大而朴实的通信技术先驱们改变了世界，改变了人类的生活。
来源 | 中科院物理所、网优雇佣军
编辑 | 常 佳
审核 | 何晓芳
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来源：上缆所传媒
