光通信技术漫谈

看风景的蜗牛君

西周末年，昏庸的周幽王为博褒姒一笑，命人点燃了烽火台，召兵勤王，这就是历史上著名的“烽火戏诸侯”的故事。虽然历史学家对此典故的真实性提出了诸多质疑，但古代烽火台通过火光与狼烟进行远程快速通信的方法却是真实有效的，因此这也可以被视为最早的“光通信”的方法。

光通信的崛起

由于局限性，狼烟与烽火只能表达“有或无”，却无法传递更多更复杂的信息。近代意义上真正的光通信是由贝尔发明的，贝尔在发明电话之后，进一步发明了一种利用光来进行通信的方法，并制成了“光电话”。

贝尔在论文《关于利用光线进行声音的产生与复制》中阐述了光电话的原理：利用太阳光或弧光灯作为光源，将光束聚焦于话筒的震动片上，随着人的讲话，震动片反射的光也会产生强弱的变化（信号的调制），接收端通过抛物面把光信号聚焦到光电池上，将光电池电流变化转化为声音信号（信号的解调）。贝尔通过这种方法，实现了两百多米的通信距离。虽然这在他所处的那个年代是一个了不起的技术成就，但是由于光在大气中传播损耗太过明显，远距离通信非常困难，有遮挡物时更是无法通信，因此光电话最终被束之高阁。

为了解决上述问题，科学家们提出了一种将光封闭在一个“管道”中进行通信的方案。因为光具有“全反射”的特性，因此我们可以选用恰当折射率的材料，并在最外层进行包裹保护，制成这样一条光的管道，这就是光纤的基本原理。

回首望去，拥有上帝视角的我们会觉得光纤的原理如此简单，用于光通信似乎顺理成章，但其实这一过程远没有我们想象的那么容易。最早用于制作光纤的玻璃材料损耗很大，根本无法用于遠距离通信；其他方面问题也很多，甚至连合适的光源都没有。以科学家高锟为代表的科学家们奉献了无数的汗水与智慧，最终让光纤通信风靡世界。

知识链接：光的全反射

所谓“全反射”，是指当光从高折射率（nH）介质进入低折射率（nL）介质时，若入射角大于临界角，那么光会被全部反射的现象。

说起“光纤通信”，相信大家并不陌生。毕竟对于活跃在互联网时代的我们来说，“光纤入户”早已不是一句口号，而是成为了日常生活中真正的一部分。如今，不少人尤其是青少年朋友们，享受着光纤通信高速度的同时，可能很难想象十年之前看低清晰度视频都会有卡顿的情景。因为那时的“宽带”还依赖于电话线，通过一种名为ADSL的技术实现，因此网速很有限。

很多人对光纤通信有一些误解，误以为之所以光纤通信比电缆通信等方式上网速度更快，是因为光的物理传播速度更快。但实际上，电缆通信中的电信号也是以光速进行传播的。光纤通信速率高于电缆通信的真正原因是光的频率更高，因此能够加载的信息量更大，也就是我们常说的带宽更大。举个不那么恰当的例子，这就像是一边是小汽车，一边是大货车，即便车速相等，但单位时间内运送的货物量却不可同日而语。这个例子中，车的速度类比的是光的传播速度，而车的载货量类比的则是带宽。

虽然理论上通信使用的光频率越高、波长越短，信息加载的容量就会越高，但是现实中光纤通信使用的却是近红外光波（如波长1.55μm左右），而不是频率更高的可见光。这是科学家综合考虑光波长、光纤损耗、光源稳定性、综合成本等诸多因素后做出的选择。比如，目前用于光通信的光纤对1.55μm几乎完全透明，损耗相对较低；在光纤中掺杂一部分稀土元素铒，则可以对1.55μm的入射光起到一定的放大作用，制成光纤信号放大器，实现信号的远距离传输。

随着互联网的蓬勃发展，人们对通信速率的要求越来越高，因此科学家也对光纤通信技术进行了多次革新。上文中笔者提到，将电缆换成光纤就像是将小汽车换成了大货车。但大货车的载货量也是有限的，为了进一步提高通信速率，科学家想到了拓展信道的方法，就像是将狭窄的单车道换成了多个车道的宽马路。

光通信发展前景

除了利用光的高频率之外，光的其他特性也被充分利用起来，如波长、相位、偏振等。其中，比较典型的技术之一就是“波分复用”技术（定义可见《知识就是力量》2015年1月刊的国际光年专题）。波分复用中使用的各个波长就是独立的信道，相互之间不会干扰，因此可以大大提高光纤通信的速率。除了将不同波长作为不同的信道，光的偏振也可以成为拓展信道的方法。因为光可以分解为正交的两种偏振光，因此在波分复用的基础上，信道数量又可以扩展两倍。

近年来，科学家利用螺旋相位分布的轨道角动量光束，提出了一种理论上可以无限拓展信道的方法。轨道角动量是电磁波的一种固有属性，使得电磁波传播过程中呈现螺旋型的相位结构。我们可以用“拓扑荷值”（一般用Ⅰ表示）来表述相位旋转的快慢，不同拓扑荷值的光波传播相互之间不受影响，因此可以作为独立的信道。由于拓扑荷值可以取任意的整数值，因此理论上利用轨道角动量光束可以无限拓展光通信的信道，极大地提高通信速率。这也是如今光通信领域的研究热点。

经历了几十年的发展，光纤通信技术早已改变了世界的格局，让我们足不出户就可以访遍全球，“地球村”变得名副其实。但是要注意的是，无论光通信的带宽如何增加、信道如何拓展，信号的延迟依然会存在。这是由于光速虽然极快，但仍是一个有限的数值，如A地发出的信号依然要经历一段时间延迟才能够到达B地，所以光通信中信号的延迟与通信速率是两个完全不同的概念。例如，大家将家里的宽带从10M升级为100M光纤，那么文件下载速度会明显提升；但玩同一款网络游戏、分别选择国服（中国服务器）和美服（美国服务器）时，会发现美服的延迟比国服大很多，这是由于美服在大洋彼岸，距离太远的缘故。

这种延迟一般情况下我们都不会在意，但在一些特殊场合却显得至关重要，一个典型的例子就是金融业的高频交易领域。高频交易使用计算机软件算法进行自动操作，任何一点延时都会影响最终的结果。若是你能够比竞争对手早一点获取信息，那么在竞争中则会占据优势。历史上一些投资人在芝加哥期货市场和纽约证券交易所之间铺设了一条1300千米的光纤线路，只是为了缩短3毫秒的延迟，获取一点点交易上的优势。

正如前文所述，自由空间中光通信有着一些不可避免的劣势，例如高损耗、易被遮挡等，但有时这些劣势却会变成优势。比如LIFI技术，通过对LED灯进行编码，将作为照明光的可见光波作为通信载体，室内小范围区域速率很高、私密性好，防蹭网只需要遮上窗帘就可以了。