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发信人: cs (cs), 信区: Physics
标  题: 世纪之光--光通信的伟大发展
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月17日18:29:02 星期二), 站内信件

世  纪  之  光
——光通信的伟大发展
章燕翼
原始光通信源远流长
——用光来传送信息，可能是人类最早应用的一种远距离通信手段。人类学会取火和使
用工具的同时就有了利用光的通信。开始，人们用点火的方法使同伴在黑夜中知道自己
的位置，后来发展到利用烽火来传送简单的信息。古代的“烽火台”是大家都知道的古
老的光通信手段。后来人们又联想到利用“有光“和“无光”的两种状态，来传送更多
的信息。例如用灯的亮和灭，可以发出各种信号。这种通信方式至今仍在船舶上使用。

——利用光来传送电话也有100多年的历史了。以发明电话而著名的贝尔，在1876年发明
了电话之后，就想到利用光来通电话的问题。1880年，贝尔制作了一台叫做“光电话”
的装置，利用太阳光作光源，用硒晶体作为接收光信号的器件，进行了实验，达到了能
与最远相距213米的人通话。贝尔本人认为：在他的发明中，光电话是最伟大的发明。
——利用光在大气中传送信息方便简单，所以人们开始研究的光通信都是这种方式。但
是光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况
，由于能见度大大降低，使信号传输受到很大阻碍。此外，太阳光、灯光等普通的光源
，都不适合作为通信的光源，因为从通信技术上看，这些光都是带有“噪声”的光。也
就是说，这些光的频率不稳定、光的性质是复杂的。因此，真要用光来通信，必须要解
决两个最根本性问题：一是必须有能稳定传送光的介质；另一个问题是必须要找到理想
的光源。长期以来，由于这两项关键技术没有得到解决，光通信就一直裹足不前。
关键技术的重大突破
——1960年，美国人梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获得性质和电磁波相似而
频率稳定的光源。研究现代化光通信的时代也从此开始。激光器的英文简称叫LASER，意
思是“受激发射的光放大”。这种激光器产生的光与普通的灯光不一样，它是受物质原
子结构本质决定的光，频率稳定，约为100太赫。这种光的频率比已经广泛应用的微波（
频率约为10兆赫）的频率高1万倍。因此，用这种光来传送信息从理论上来说，通信的容
量可以比微波通信的容量也大1万倍！因此，激光器的发明对光通信的研究工作产生了重
大的影响。但是最初发明的激光器在室温下不能连续工作，因此，还不可能在通信中获
得实际应用。
——在光的传输介质方面，人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝
叫做光学纤维，简称“光纤”。但初期的光纤，光在其中传输时损耗很大。光的损耗程
度是用每千米的分贝为单位来衡量的。零分贝表示没有衰减；20分贝／千米表示光传送
一千米已损耗到只剩1％的程度。当时的光纤每千米的损耗大约在1000分贝左右，这样大
的损耗，想要用来通信是不可能的。它只能在内窥镜等装置上用作传光的介质。
——激光器和光纤的发明，使人们看到了光通信的曙光。而要实现光纤通信，还需要在
激光器和光纤的性能上有重大的突破。但是在这两方面的突破遇到了许多困难，尤其是
光纤的损耗要达到可用于通信的要求，从每千米损耗1000分贝降低到20分贝似乎不太可
能，以致很多科学家对实现光纤通信失去了信心。就在这种情况下， 1966年7月，英国
标准电信研究所的英籍华人高锟博士，就光纤传输的前景发表了有重大意义的论文，论
述了造成光纤损耗的主要原因，并从理论上分析：如果能去除玻璃上的杂质，就有可能
使光的传输损耗大大降低，可降低到每千米20分贝左右。这篇论文使许多国家的科学家
受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。
——1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传
输损耗每千米只有20分贝的光纤。这是什么概念呢？用它和玻璃的透明程度比较，光透
过玻璃功率损耗一半（相当于3分贝）的长度分别是：普通玻璃为几厘米、高级光学玻璃
最多也只有几米，而通过每千米损耗为20分贝的光纤的长度可达150米。这就是说，光纤
的透明程度已经比玻璃高出了几百倍！在当时，制成损耗如此之低的光纤可以说是惊人
之举，这标志着光纤用于通信有了现实的可能性。
——恰好也是这一年，美国贝尔研究所成功地研制出能在室温下连续工作的半导体激光
器，它只有米粒那么大，发光面积很小，发出的光是一种极细的光线，频率稳定而且方
向性很好，射入光纤后能封闭在光纤中进行传播，因而它就成为光通信的理想光源。
光通信的大发展
——1970年的上述两项重大突破，使光通信的实现有了光明的前景。这时的光通信，实
际上指的就是光纤通信。光纤通信立即受到了各国的高度重视，一些国家竞相开展研究
工作。一方面对低损耗光纤、常温下连续工作的激光器的应用继续进行研究，另一方面
也对光纤通信系统的实际应用进行研究和现场实验。
——在低损耗光纤方面，1974年达到了每千米损耗1分贝的水平，1979年达到了每千米只
有0.2分贝损耗的程度，即已经降低到石英光纤在理论上最低损耗极限，相当于在空气中
的能见度为100千米的程度。
——在激光器方面，1970年制成了在常温下能连续工作的激光器。说起来是能在常温下
连续工作，但这种激光器的寿命很短，连续工作只有几秒钟，寿命长的也不过几个小时
，要想在通信中实际应用还不可能。可见，研究激光器的寿命已成为当时最重要的课题
。到1977年，已研制成功了能连续工作几万小时、在实用环境中工作10年的长寿命的激
光器。
——1977年在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间首次建成商用的光纤通信系统。它使许多人
惊奇地看到，就是两根和头发丝差不多粗细的玻璃丝（直径0．1毫米左右），竟然能同
时开通8000路电话！这一成果震惊了全世界。到1990年，短短十几年中，光纤通信已经
经历了几次更新换代，其中主要是由多模光纤过渡到单模光纤；由短波长（0.85微米）
过渡到长波长（1.31微米）。信息传输的容量和速率大大提高。
——什么是单模光纤和多模光纤？先说说光纤的基本结构。它是一根双层同心的石英玻
璃丝。中心的玻璃丝叫做纤芯，它的光折射率较低；外层玻璃叫做包层，它的光折射率
比纤芯略高一些。纤芯和包层的折射率有差别，是为了光线在纤芯和包层之间产生全反
射，使光线能封闭在纤芯之中通过全反射进行传播。
——70年代开始应用的光纤是多模光纤。这种光纤的直径大约为0.1毫米，与头发丝的粗
细差不多，射入这种光纤的光在传输时有多种不同的传输模式，所以叫做多模光纤。不
同模式的传输速度不同，使传输的频带变窄，载送的信息量也相对少些。到80年代后期
，在通信系统中改用单模光纤。这种光纤中，只传输一种模式的光，没有色散，传输的
频带宽，能载送的信息量比多模光纤大得多。而单模光纤却比多模光纤还要细得多，直
径只有0.01毫米，只有头发丝粗细的1／10。这两种光纤的区别见下示意图。(图略)
——另一个重要的更新换代，是光纤通信的工作区从波长为0.85微米左右的“短波长”
区域过渡到1.31微米左右的所谓“长波长”区域。这是因为光纤的损耗有随着波长的4次
方关系而反比例下降的趋势。在0.85微米的短波长区域工作的光纤损耗约为每千米2.5分
贝左右，而在1.31微米波长的长波长区工作的光纤损耗可以降低到每千米0.3～0.4分贝
，这就使光纤通信的无中继传输距离大大加长。
——这些技术的更新和进步，为光通信的进一步迅速发展铺平了道路。到90年代，光纤
的传输速率已经达到了每秒10000兆比特，相当于在一对只有头发丝1/10粗细的光纤里可
以同时开通1250000路电话，其发展速度是惊人的。
——光纤通信迅速地占领了世界各国的电信市场。到1990年，全世界敷设光纤的长度已
经可以围绕地球赤道400圈。长途电信网和市内电话的中继线已经基本上被光纤组成的光
缆代替。甚至在80年代还基本上是由卫星通信独揽的洲际远洋通信和电视转播等业务，
局面也被打破。到1990年，光纤通信所承担的上述业务的业务量，已经上升到占40％，
到1991年，光纤通信所承担的通信业务量已经超过了卫星通信，占56%。光纤通信网已经
成为“信息高速公路”的基础。
光纤通信技术方兴未艾
——光纤通信虽为人们提供了过去难以想象的巨大通信容量和超高速率，但它的巨大潜
力却远远没有发挥。现在我们实际上只利用了光纤巨大潜力的1／1000。可以说，光纤通
信的技术还正方兴未艾。这里介绍几种重点开发的新技术。
 ——液分复用技术—目前光纤通信可利用的频谱范围还有很大一部分尚未开发利用，而
光电器件的速率已经大约是电子电路的4～5倍。要想进一步扩大传输容量，采用“光复
用”的方式是唯一的出路。“光复用”就是在光域上用复用的方式来进一步提高传输容
量。波分复用（WDM）技术就是光复用中最有前景的一种方式。
——什么叫波分复用？所谓波分复用就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互
不干扰。因为目前光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很
大的范围没有利用。如果利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带
的信息，就可以大大增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因
此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每
一个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。如果在光纤的工作
窗口上安排100个波长不同的光源，同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就能使现在
的光纤通信系统的容量提高100倍。
——光纤放大器   由于光信号在光纤中传输时要受到损耗，因此每隔几十千米，就要设
置一个“再生中继器”。这些再生中继器是先把光信号转换为电信号进行放大，然后再
转换成光信号，使放大了的光信号继续沿光纤线路传送。然而这种方式每次都要经过光
变电和电变光两次变换，很麻烦；而且随着光纤通信系统传输容量的增大，需要速率极
高的电子器件，这也是很难解决的问题。
——能否去掉这种复杂的光电转换过程，直接在光纤线路上对光信号进行放大，也就是
用一个全光方式的放大器来代替现在的这种光—电——光型的再生中继器，发明一种性
能优良的“光纤放大器”呢？人们研究了多种光放大器，其中已经获得成功的是“掺饵
光纤放大器（简称EDFA）。1985年英国南安普顿大学首先研制了这种掺饵光纤放大器。
1989年以后，掺饵光纤放大器的研究工作不断出现重大突破，到90年代初，已经有产品
出售。掺饵光纤放大器是由掺饵光纤、泵浦激光器和波分复用器组成的。
——掺饵光纤放大器是利用在光纤中掺杂了稀土元素饵来实现光放大的。当用高能量的
泵浦激光器激励掺饵光纤时，饵离子会发出频谱很宽的荧光带，这时光信号通过掺饵光
纤时，荧光带的能量会转移到信号光上，使信号光得到增强和放大。
——掺饵光纤放大器的研制成功，使进入90年代的光纤通信容量又提高了一个数量级。
随着技术的发展和改进，掺饵光纤放大器必将渗透到光纤通信的各个领域，从而使光纤
通信从发送端到接收端可以实现“全光传输”。这是光纤通信发展史的一个新的里程碑
。
——光孤子通信   什么叫“光孤子”？光孤子是一种能在光纤中传播的长时间保持形态
、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。

——光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“色散”。“损耗
”使光信号在传输时能量不断减弱；而“色散”则是使光信号的脉冲在传输中逐渐展宽
，从而使信号畸变失真。现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理
论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。
——光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会
使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，
从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而
前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压
缩变窄。
——如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一个
孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通
信。从光孤子传输理论分析，利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没
有限制。传输速率将可能高达每秒106兆比特。如此高速将意味着世界上最大的图书馆—
—美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通
信的能力何等巨大。
——光通信以光代电不仅是信息传输手段的变化，也是电信史上的一场深刻的革命。光
纤通信已经成为现代信息社会的坚实基础，并将继续推动社会的进步和发展.  (选自中
国电信网)

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