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光與技術(shù)：由電到光的通信之路

2023.10.23 陜西

在上一篇文章中，我們說(shuō)到了電報(bào)的發(fā)明（1837年發(fā)明），也就是實(shí)現(xiàn)了目之所及的通信到真正長(zhǎng)距離通信的轉(zhuǎn)變。電報(bào)，把人們想要傳遞的信息以每秒30萬(wàn)公里的速度傳向遠(yuǎn)方。被認(rèn)為是人類無(wú)線通信的開端。

但久而久之，人們又有點(diǎn)不滿足了。因?yàn)榘l(fā)一份電報(bào)，需要先擬好電報(bào)稿，然后再譯成電碼，交報(bào)務(wù)員發(fā)送出去；對(duì)方報(bào)務(wù)員收到報(bào)文后，得先把電碼譯成文字，然后投送給收?qǐng)?bào)人。這不僅手續(xù)繁多，而且不能及時(shí)地進(jìn)行雙向信息交流；要得到對(duì)方的回電，還需要等較長(zhǎng)的時(shí)間。

因?yàn)槿藗儗?duì)電報(bào)種種弊端的不滿，使得科學(xué)家去探索其他的通信技術(shù)。而接下來(lái)我們將說(shuō)到的電話（1876年發(fā)明）在當(dāng)時(shí)有效的解決了這些問(wèn)題，這也被認(rèn)為是人類有線通信的開端。

當(dāng)然，不知道在座的各位是否見到過(guò)有線電話，90/00后接觸的基本上都是移動(dòng)智能手機(jī)。在這里，電話的通信原理首先是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)線路傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，再由交換機(jī)經(jīng)線路將電信號(hào)直接傳至另一臺(tái)話機(jī)上接聽，這一通話過(guò)程傳輸?shù)木€路就是我們的電纜。即：語(yǔ)音-->電流（電話線）-->語(yǔ)音。

早期這里的傳輸介質(zhì)電話線都是電纜，電流信號(hào)模仿我們說(shuō)話的聲音，隨著聲音的變化而連續(xù)變化，以交流信號(hào)的形式在電纜中傳輸。在電話發(fā)明之后的百年時(shí)間，都是以電信號(hào)的傳輸為主導(dǎo)的。

但是電纜的信號(hào)的傳輸存在較大的問(wèn)題：

電阻問(wèn)題：在傳輸交流信號(hào)中，隨著頻率的增加，由于趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗，特別是趨膚效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)能量集中在導(dǎo)體表面，有效截面積大大減小，同軸電纜中信號(hào)的衰減將成倍增長(zhǎng)。發(fā)明電話之前，其實(shí)大西洋的第一條海底電纜就已敷設(shè)好了，但是是用來(lái)傳送頻率很低的電報(bào)的，所以傳輸距離還能夠用。若用來(lái)傳輸電話的電流信息，由于頻率較高，損耗很大。

容量問(wèn)題：最初電話的一對(duì)線路只能通一路電話，一個(gè)人占了線，別的人只好等著，不然相互干擾，誰(shuí)也聽不清楚。雖然后面使用了載波通信技術(shù)，可以攜帶幾十上百路電話信號(hào)，而隨著用戶的增加，這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

成本問(wèn)題：大家可能有所不知，100千米長(zhǎng)的電纜，需要消耗幾十噸的銅和鉛。在這樣昂貴的線路上，如果每一對(duì)電纜線只通幾十上百路電話，將非常浪費(fèi)。這也能理解為什么幾十年前有線電話安裝費(fèi)和通訊費(fèi)如此昂貴。

安全問(wèn)題：由法拉第提出的電磁感應(yīng)定律知道，電纜中傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，是不是通過(guò)分析磁場(chǎng)，逆向得出網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)？這個(gè)問(wèn)題在發(fā)展出抗干擾能力和防數(shù)據(jù)泄露更好的屏蔽雙絞線之前，可能比較嚴(yán)重。

分享一個(gè)故事：據(jù)說(shuō)早些年成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)（成飛）的內(nèi)網(wǎng)是通過(guò)網(wǎng)線傳輸（非屏蔽雙絞線），丑國(guó)人開車在成飛外面繞了兩圈，利用電磁原理，就竊取了我國(guó)新一代殲擊機(jī)的所有圖紙、性能材料（此案例不知真假，請(qǐng)自行判斷）。

因此，既然電信號(hào)的通信方式有這些不足，人們就想方設(shè)法去解決。這也就是通信中一直以來(lái)的需求推動(dòng)：

怎樣傳的更遠(yuǎn)，
怎樣傳的更多，
怎樣更安全的傳輸信息。

而最容易想到的是找一種更好的媒介來(lái)代替電纜。而利用光來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸一直是人們追求的。

這里就不得不提一下貝爾的光電話（1880年發(fā)明），可以說(shuō)這是現(xiàn)代光通信的鼻祖，但與上面需要解決的三個(gè)問(wèn)題關(guān)系不大。

光電話利用太陽(yáng)光作光源，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。然后以大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，對(duì)接收端收到調(diào)制后的光信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)制，還原成原始信號(hào)。但是，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，傳輸距離只有213米。如果在下雨天可能更差。

因此，使用太陽(yáng)光作為光源和空氣作為傳輸介質(zhì)的通信方式并不靠譜。

不過(guò)先行者們至少知道了問(wèn)題所在，并由此去尋求解決之道：

一個(gè)是要有更好精度更高的光源，1960年美國(guó)的梅曼發(fā)明了第一個(gè)紅寶石激光器，初步解決了光模塊中光源的問(wèn)題；
二個(gè)是尋找傳輸性能更好的媒介，華裔科學(xué)家高錕提出光纖作為傳輸介質(zhì)，到1970年美國(guó)康寧拉出了第一根衰減為20dB/km的低損耗石英光纖，初步解決了介質(zhì)問(wèn)題。

以上技術(shù)的突破，也表明了光纖通信時(shí)代的到來(lái)，并從此開始迅猛發(fā)展。

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