紀念光纖通信50年：人類社會的偉大技術革新
時間:2016-08-26 13:54:19 來源：
1841年，Daniel Colladon和Jacques Babinet兩位科學家分別演示了光的全反射原理，他們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。
人們發(fā)現(xiàn)，光能沿著從水桶中噴出的細流中傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的水流前進。這是為什么呢？難道光線不再直進了嗎？<A href="http://www.yuzhongbz.com""http://www.yuzhongbz.com " target=_blank "http://www.yuzhongbz.com ">ADSS光纜
這一現(xiàn)象叫光的全內(nèi)反射作用，即光從水中射向空氣，當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，貝爾(Alexander Graham Bell)發(fā)明了“光話機”。貝爾將太陽聚成一道極為狹窄的光束，照射在很薄的鏡子上，當人們發(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。
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迅速減弱。
當時貝爾雖曾預測這項發(fā)明：
在科學世界里，這將遠比電話、留聲機和麥克風更有趣。
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)傳導光，正如Daniel Colladon和Jacques Babinet的演示那樣，讓“光波”在由桶底流出的水柱中傳播。<A href="http://www.yuzhongbz.com""http://www.yuzhongbz.com " target=_blank "http://www.yuzhongbz.com ">ADSS光纜
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域，比如，應用于醫(yī)學，牙科醫(yī)生用彎曲的玻璃棒來把燈光導入病人的口腔為手術照明。
盡管玻璃纖維從文藝復興時期就開始被廣泛應用，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，一位英國科學家，Charles Vernon Boys，在一根加熱過的玻璃棒附近放了一張弓，當玻璃棒足夠熱時，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的玻璃纖維。
玻璃光導越來越細，成為了光纖。
這無疑讓光纖通信又前進了一大步，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，光甚至會從粘附在光纖上的油污泄漏出去。
包層的問題在1950年代才解決。
1951年，光物理學家Brian O’Brian提出了包層的概念。<A href="http://www.yuzhongbz.com""http://www.yuzhongbz.com " target=_blank "http://www.yuzhongbz.com ">ADSS光纜
然后，有人試圖用人造黃油作為包層，但結(jié)果不實用。
有人也想到了蜂蠟和塑料，比人造黃油好多了。
1956年，密歇根大學的一位學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準，塑料包層也相繼出現(xiàn)。
眾所周知，光纖利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全內(nèi)反射原理達成光傳導。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。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。電話公司認為即將到來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，仿佛天方夜譚。
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。
這些透明的固體材料大量吸收光，并不適用于光通信，很多工程師堅定的確認了這一事實。
總是有些人不肯輕言放棄。他們決定探索影響光纖損耗的因素到底是什么？
終于，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。
他預言，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。為此，高錕獲得了2009年諾貝爾物理學獎。
很多人，包括相關領域的專家都認為這是天方夜譚。<A href="http://www.yuzhongbz.com""http://www.yuzhongbz.com " target=_blank "http://www.yuzhongbz.com ">ADSS光纜
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，消除了學術界、工業(yè)界的疑慮，證明了光導纖維傳輸信息的可行性，大家馬上就跟上來了。
他這篇文章一發(fā)表，把大家都激勵起來了，光纖變成了熱點。工業(yè)界投入人力和財力，科學家、工程師全力以赴。
很快，四年以后，美國康寧公司就真的拉出來了20dB/公里的光纖。
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）作為材料的半導體激光（semiconductor laser）也由貝爾實驗室發(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，光纖才真正開始應用于光纖通信，因此，我們把1966年稱為光纖通信的誕生年，距今剛好50年。
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800奈米（nanometer）的砷化鎵激光作為光源，傳輸?shù)乃俾剩╠ata rate）達到45Mb/s（bits per second），每10公里需要一個中繼器增強信號。
接著，第二代的商用光纖通信系統(tǒng)也問世了。它使用波長1300奈米的磷砷化鎵銦（InGaAsP）激光。
早期的光纖通信系統(tǒng)雖然受到色散（dispersion）的問題而影響了信號質(zhì)量，但是1981年單模光纖（single-mode fiber）的發(fā)明克服了這個問題。<A href="http://www.yuzhongbz.com""http://www.yuzhongbz.com " target=_blank "http://www.yuzhongbz.com ">ADSS光纜
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之譜。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，堪稱光通信歷史上的一個里程碑似的事件，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1550奈米的激光做光源，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，而科學家則設計出色散遷移光纖（dispersion-shifted fiber）來解決這些問題，這種光纖在傳遞1550奈米的光波時，色散幾乎為零，因其可將激光光的光譜限制在單一縱模（longitudinal mode）。這些技術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公里遠。
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，波分復用（wavelength-division multiplexing, WDM）技術則大幅增加傳輸速率。這兩項技術的發(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，傳輸速率已經(jīng)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1530奈米至1570奈米之間，新一帶的無水光纖（dry fiber）低損耗的波段則延伸到1300奈米至1650奈米間。另外一個發(fā)展中的技術是引進光孤子（optical soliton）的概念，利用光纖的非線性效應，讓脈波能夠抵抗色散而維持原本的波形。
…
作為20世紀人類社會所取得的最偉大的技術成就之一，光纖通信技術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，就沒有今天的信息社會，無法想象今天的光寬帶和移動互聯(lián)網(wǎng)生活。
紀念光纖通信50年，致敬通信先驅(qū)！
正是這些偉大而樸實的通信技術先驅(qū)們改變了世界，改變了人類的生活。
最后，用高錕先生的一句話作為結(jié)束吧，每次看到這句話都會莫名的感動：
我是一個平凡的人，我在做光纖實驗時，覺得是一個科學家應該做的事，并不是什么了不起的事。
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