光通信.docx
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光通信
光通信
（深圳大学杨鸿兆）
难忘烽火台
新疆呼图壁县境内的烽火台
现在每当我们提到烽火台，就会自然而然地想到长城，实际上烽火台筑在长城沿线的险要处和交通要道上。
一旦发现敌情，便立刻发出警报：
白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，以传递紧急军情。
上图为新疆呼图壁县境内的烽火台，在呼图壁县境内共有5个烽火台，其中3个已毁，烽火台长宽均约4米，高约5米，筑台年月不详。
烽火台通信，源于奴隶制国家在政治和军事方面对通信的需要。
据历史记载，早在三千多年前，我国就有了利用烽火台通信的方法。
关于烽火通信有个叫“千金买笑”的故事。
故事是这样的，周朝有个周幽王，这是一个非常残暴而腐败的君主，他有个爱妃名叫褒姒，长得非常美丽，《东周列国志》中有这样一段话来形容褒姒：
“目秀眉清，唇红齿白，发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，倾国倾城之貌。
”褒妃虽然很美，但是“从未开颜一笑”。
为此，周幽王使出了一个赏格：
“谁要能叫娘娘一笑，就赏他一千斤金子”（当时把铜叫金子）。
于是有人想出了一个点起烽火戏诸侯的办法，想换取娘娘一笑，一天傍晚，周幽王带着爱妃褒姒登上城楼，命令四下点起烽火。
临近的诸侯看到了烽火，以为西戎（当时西方的一个部族）来犯，便领兵赶到城下救援，但见灯火辉煌，鼓乐喧天。
一打听才知是周幽王为了取乐于娘娘而干的荒唐事儿，各诺侯敢怒不敢言，只好气愤地收兵回营。
褒姒见状，果然淡然一笑。
但事隔不久，西戎果真来犯，虽然点起了烽火，却无援兵赶到。
原来各诸侯以为周幽王又是故伎重演。
结果都城被西戎攻下，周幽王也被杀死了，从此西周灭亡了。
至今仍相传的“千金买笑”的故事就是从这儿来的。
后来，又有人写了首诗，讽刺“烽火戏诸侯”之事，诗是这样的：
良夜颐宫奏管簧，无端烽火烛穹苍。
可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场！
这个历史故事不仅生动的描绘了当时利用烽火台通信的情况，同时也告戒后人，通信是非常重要的，不论在什么时候也不论是什么人，都不能拿通信当儿戏。
话说望远镜
反射望远镜
17世纪中叶，人们发明了望远镜，它使得人们可以看得更远了。
到1791年，法国人发明了灯信号，此后“灯语”通信在欧洲风靡一时。
直到今天，信号灯、旗语、望远镜等目视光通信的手段仍在使用，但是这一切还是最原始的光通信，不能算作是真正的光通信。
不过，这些原始的光通信由于方便、可靠至今仍在使用，所以还是有必要了解的，现在让我们认识一下望远镜吧。
望远镜的作用首先是能够放大远方物体的张角，人眼的分辨角大约是1分（1分是1度的六十分之一），而望远镜能使人眼能看清角距更小的细节，其次，望远镜能将光线集中起来，使人眼看到本看不到的暗弱物体发出的光线。
望远镜由物镜和目镜两组镜头及其他配件组成。
为了减小望远镜的像差，物镜和目镜通常由多个元件组成。
望远镜所能收集的最大的光束直径，称为口径。
所能观测到的范围称为视场，通常以角度来表示。
视场大小和目镜的结构有关，对于同样的目镜视场直径与放大倍数成反比：
放大率越高，视场越小。
上面的两幅图是天文学上常用的光学望远镜。
折射望远镜
中国目前最大的光学望远镜是2.16米。
茫茫宇宙，繁星似沙，但今后10年，人类为天体光谱作的“户口登记”数，将超过以往数百年。
因为，人类有了新的“千里眼”———大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，该望远镜将于２００４年建成，安放在北京兴隆县燕山山脉中兴隆观测站，届时，将大大提升我国天文学研究的国际地位，使我国恒星和星系的光谱观测达到国际领先水平。
大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）是国际上视场和口径最大的天文望远镜，长50米、高30米，视场为５度，口径达４米，一次观测可达20平方度（整个宇宙空间约有４万平方度）。
通过大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，在21世纪前10年，人类就可测出天体光谱100万个。
目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克望远镜，直径10米,由36面1.8米的六角型镜面拼合而成，耗资一亿三千万美元，主要是由美国的一个企业家凯克捐助修建的，第一面凯克望远镜建造成功后，凯克基金会又投资修建了凯克二号望远镜，两座望远镜挨在一起，威力无比；另外的大型望远镜有美国国立天文台位于南北两半球的两个八米望远镜，一座位于夏威夷，一座位于智利，合称双子座望远镜；日本人在夏威夷建造了一座八米的称为昴星团望远镜；下世纪欧洲南方天文台将建成四座八米望远镜，组合口径相当于15米!
目前世界上最大的射电望远镜是波多黎各的阿雷西沃无线探测仪，它是我们安放在宇宙间的最大的无线电耳朵。
该望远镜上的巨大的反向镜的直径为305米。
阿雷西沃探测仪目前被用来搜寻空中的由外星智能生命发射来的信号，如果你看过电影《黄金眼》（英美合拍，1995）及《接触》（美国，1997），就一定不会对它陌生。
细数家珍
虽然人类社会的文明程度和科学技术得到了很大的提高，但是简单的利用光传递信息的方式仍然在广泛使用，例如红黄绿交通信号灯，旗语，电灯发明之后，又有了利用百叶窗和灯光的灯语。
现在让我们认识一下旗语。
旗语产生于西方的大航海时代，舰船之间通过旗语来进行联络；直到现在，各种信号旗仍然在船舶上悬挂。
现在在F1的赛车场也使用到了旗语，可以说它也是一种目视光通信的手段。
如果你能向F-1赛手像是塞纳、舒马赫、威伦纽夫等高手侃侃有关F1旗语的话题，一定能让他们刮目相看。
现在就让我们了解一下F1的旗语吧：
白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆
红色旗表示比赛已停止
黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车
黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑
黑白对角旗表示是非运动员行为
黄旗表示有危险
黑白格相间的旗子意思是比赛结束
蓝旗表示有车手正要超车
黑底黄色圆心旗表示赛车有故障
绿色旗表示全程畅通
看到这些表示方法，你是不是觉得这种以颜色以及颜色的组合来传递信息的通信方式很别出心裁。
开动你的脑筋，说不定你能想到更绝的招呢。
不论是烽火台、望远镜，还是交通红绿灯、旗语，它们都是光通信的不同形式，但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。
也正因为如此，我们才会对它们如此地熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。
在这里，应该明确，光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒质是什么；而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。
路漫漫兮其也远
尽管人类很早就认识到用光可以传递信息，比如3000多年前我国就有了用光传递远距离信息的设施——烽火台；但是，其后的很多年中，光通信几乎没有什么发展；后来又有了用灯光闪烁、旗语等传递信息的方法；但是这些都是用可见光进行的视觉通信，是非常原始的光通信方式，不能称得上是完全意义上的光通信。
近100年中，人们仍然没有对光通信失去兴致，就连大发明家贝尔（BELL）也尝试着用光来打电话，这被认为是近代光通信的开始。
20世纪60年代后，随着人们对通信的要求变得越来越强烈，光通信获得了突飞猛进的发展。
我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的通信方式了。
现代人类已经进入了信息社会，光通信的魅力也逐步地展现在人们的面前。
贝尔的光电话
光通信的出现比无线电通信还早。
波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年，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，他利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。
1881年，贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文，报导了他的光电话装置。
在贝尔本人看来：
在他的所有发明中，光电话是最伟大的发明。
贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。
当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。
在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。
电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。
光话的苦恼
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，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很大阻碍。
此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，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、不单一，光的性质也很复杂；一句话，就是光不纯。
因此，真要用光来通信，必须要解决两个最根本的问题：
一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质（可不能再用空气了哟！
）；另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源。
在此后的几十年中，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。
也正因此，贝尔的光话始终没有走上实用化的阶段。
所以我们今天也没有用上BELL的光电话，而只是用了他发明的电话；但不管怎样，BELL真的是一位伟大的发明家，我们应该记住他的名字。
光也可以“走弯路”
1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。
实际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光是以折线方式前进的。
光也可以“走弯路”。
廷德尔观察到的现象，直至1955年才得到实际应用。
当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做的光导纤维。
每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成，一种玻璃形成中央中心束线，另一种包在中心束线外面形成包层。
由于两种玻璃在光学性质上的差别，光线经一定角度从光导纤维的一端射入后，不会从纤维壁逸出，而是沿两层玻璃的界面连续反射前进，从另一端射出。
最初，这种光导纤维只是应用在医学上，用光纤束组成内窥镜，可以观察人体肠胃内的疾病，协助医生及时作出确切的判断。
其实，现代的光纤通信也就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，从而实现信息的传递的。
世界第一台激光器
1960年7月8日，美国科学家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。
光纤的诞生
人类从未放弃过对理想光传输介质的寻找，经过不懈的努力，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”。
人们用它制造了在医疗上用的内窥镜，例如做成胃镜，可以观察到距离一米左右的体内情况。
但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。
光的损耗程度是用每千米的分贝为单位来衡量的。
直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里1000分贝以上。
每公里1000分贝的损耗是什么概念呢？
每公里10分贝损耗就是输入的信号传送1公里后只剩下了十分之一，20分贝就表示只剩下百分之一，30分贝是指只剩千分之一……1000分贝的含意就是只剩下亿百分之一，是无论如何也不可能用于通信的。
因此，当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信希望渺茫，失去了信心，放弃了光纤通信的研究。
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，出生于上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。
他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。
1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃纤维损耗大的主要原因，大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。
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。
世界上第一根低损耗的石英光纤――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。
光纤之路――舍我其谁
1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，这立即引起了各国电信科技人员的重视，他们竞相进行研究和实验。
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），使光纤损耗降低到1分贝／公里；1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。
1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb／s。
进入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次更新换代。
70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长（850纳米）波段，（1纳米=1000兆分之一米，即米）。
80年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纤逐渐采用单模光纤，到90年代初，通信容量扩大了50倍，达到2.5Gb／s。
进入90年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。
通信容量和中继距离继续成倍增长。
广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。
光通信大事记
――1880年，美国电话发明家贝尔就已经研究并成功地发送与接收了光电话。
1881年，贝尔宣读了一篇题为《关于利用光线进行声音的产生与复制》的论文，报导了他的光电话装置。
――1930年至1932年间，日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了3.6公里的光通信，但在大雾大雨天气里效果很差。
第二次世界大战期间，光电话发展成为红外线电话，因为红外线肉眼看不见，更有利于保密。
――1854年，英国的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出，光线能够沿盛水的弯曲管道进行反射而传输，并用实验证实了这个想法。
――1927年，英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维可解析图像，并且获得了两项专利。
――1951年，荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。
――1953年，荷兰人范赫尔把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上，形成比玻璃纤维芯折射率低的套层，得到了光学绝缘的单根纤维。
但由于塑料套层不均匀，光能量损失太大。
――1960年7月世界上第一台红宝石激光器出现了。
1961年9月由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。
――20世纪60年代，有的实验室用氦——氖气体激光器做了传送电视信号和20路电话的实验。
也有的公司制成了语言信道试验性通信系统，最大传输距离为600米。
到80年代初激光通信已进入应用发展阶段。
――1966年英籍华人高锟博士首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想，并为此获得了1979年5月由瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金。
――1968年，日本两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤，它能聚集和成像，称作聚焦纤维。
同期，美国宣布制成液体纤维，它是利用石英毛细管充以高透明液构成的。
这两种光纤的光耗损很难降低，所以实用价值不大。
――1970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根耗损率为每公里20分贝的套层光纤，开创了光纤通信的新篇章，使通信光纤研究跃进了一大步。
一根光纤可以传输150万路电话和2万套电视。
――1976年日本在大孤附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光通信的实验区，到1978年7月已拥有300个用户。
（实际上光通信系统使用的不是单根光导纤维，而是由许多光纤维聚集在一起组成的光缆。
一根直径为1厘米的光缆，里面有近百根光导纤维。
光缆和电缆一样可以架在空中，埋入地下，也可以铺设在海底，它的出现使激光通信进入实际应用阶段。
）
历史的启示
人类的想象力和创造力是无穷的，当人们经过艰苦的探索，掌握了光纤通信的奥秘，把地球用一束束的玻璃丝牢牢地裹起来以后，人们又把目标盯在了地球之外的宇宙空间，这就是宇宙激光通信。
由于宇宙空间没有大气或尘埃，激光在那里传输时比在大气中的衰减小得多，因而激光用于宇宙通信既优越又经济，这受到各国的普遍重视，现在已经有大量的科学家投身到了这个研究的领域。
当我们冷静地回顾一下光通信的发展历史时，不难发现，人们使用过的光通信的传输媒质有大气、水、液体纤维导管、玻璃纤维、光缆，甚至还在尝试使用外层空间；用于光通信的波长范围从红外线、可见光到高频射线。
人类孜孜不倦的尝试和丰富的想象力启发我们：
我们总可以找到比以前更好的传输媒质！
我们也可以充分利用电磁波广阔的频谱！
应该认识到，人类的发明和创造通常是建立在对前人认识成果的改造和创新的基础之上的，尽管当前光通信传输领域占主导地位的是光纤，但是这并不意味着其它方式被淘汰了，只要展开自己想象的翅膀，我们依然能够找到更好的传输媒质，当然我们也可以考虑将以前尝试过的传输媒质进行新的加工，从而获得比光纤更优越的传输性能。
比如人类正在探索的宇宙光通信，它的身上不也闪烁着BELL光电话的灵感之光吗？
共和国光纤通信的发展
在70年代国外的低损耗光纤获得突破以后，我国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。
1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统，这比世界上第一次现场试验只晚两年多。
这些成果成为我国光通信研究的良好开端，并使我国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。
到80年代末，我国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。
从1991年起，我国已不再建长途电缆通信系统，而大力发展光纤通信。
在“八五”期间，建成了含22条光缆干线、总长达33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。
1999年1月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南——青岛）8×2.5Gb／s密集波分复用（DWDM）系统建成，使一对光纤的通信容量又扩大了8倍。
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