摘要：民用或军事上的探照灯，也多少有光 通信 的含义在内，比如古代的烽火戏诸侯，现代的司机在夜间驾驶汽车，无论超车或与对面来车错车，都通过闪烁近光灯或远光灯实现，在此过程中，光其实发挥了通讯的作用。

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光通信技术对常人而言是一门比较冷门的科学（实际近在咫尺），顾名思义，光 通信 就是利用光承载信息的远距离通信技术。

在古代，灯塔其实就是航海领域的光 通信 应用之一，当船在夜晚行驶于海面上，能通过灯塔发出的光信号，获知海岸的位置，暗礁或海岛的存在，保证航行的路线和安全。

民用或军事上的探照灯，也多少有光 通信 的含义在内，比如古代的烽火戏诸侯，现代的司机在夜间驾驶汽车，无论超车或与对面来车错车，都通过闪烁近光灯或远光灯实现，在此过程中，光其实发挥了通讯的作用。

但是真正的光 通信 技术是电子化的通讯系统，比上述肉眼可见的闪烁要复杂得多，通过发射器（将信息编码为光信号）、信号通道（将信号传输到目的地）和接收器（从接收到的光信号中再现信息）来实现复杂的信息传播。

其工作原理基于光子与电子的相互转换，这需要整个系统的核心部件光模块实现。信息先以电信号的形式（通常为二进制的「 0」 和「 1」 数据流）在发送端通过驱动半导体激光器（ LD ）或发光二极管（ LED ）将电信号转换为特定速率的调制光信号，这些信号经由光纤介质传输，在远方由光接收机利用光探测二极管将光信号恢复为电信号，并经过放大处理后输出，完成信息的传递。

虽然信息的产生与最终使用仍离不开电子系统，但光通信将抽象的「 比特」 流转化为高速、低损耗的「 光子」 流，为数据的爆炸式增长提供了方案，使得信息传输的效率和规模实现了跨越式提升，又快有多又好。

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我们天天上网，都熟悉「 光纤」 ，光纤就是光 通信 的材料和通道。

光纤光缆是一种柔性玻璃或塑料纤维，光纤以极高的透明度引导光信号前进，可以将光从一端传输到另一端，与电缆相比，可以实现更长的传输距离和更高的带宽（数据传输速率），传输时不仅损耗更小，且不受电磁干扰。

实际上光和电场的传播速度是一样的（二者理论上都是电磁波速度），只不过在电阻存在的情况下，电流的传播速度比较慢而已，但电流和电场是不同的概念。因此，电信号也罢，光信号也罢，都具有快速进行的特征。

电波分为短波、中波、长波的传播频率，光 通信 与电波在实质是一样的，只不过相比较而言，光的波长极短极短，因此频率极高，可见光的频率范围处在 430 万亿赫兹（红光）与 750 万亿赫兹（紫光）之间，导致其几乎不与电离层发生作用，不能靠「 反射」 绕地球传播，在空气或真空中主要表现为直线传播，遇到障碍物很难绕过去（波长太短，衍射效应弱）。

但是凡事利弊相随，光又因频率极高，带宽巨大，能承载海量信息（现代互联网光纤通信依赖这一点），由此光 通信 技术应用而生，蓬勃发展。

我们简单梳理一下光 通信 技术的发展历程，看看它是如何从理论到实验，逐步成为真正的应用。

03 十九世纪

19 世纪 40 年代初，瑞士物理学家丹尼尔 · 科拉东 (Daniel Colladon) 和雅克 · 巴比内 (Jacques Babinet) 在巴黎首次演示了光的折射导波，这一原理使得光纤成为可能。

12 年后，爱尔兰物理学家约翰 · 廷德尔 (John Tyndall) 在伦敦的公开演讲中也演示了这一原理。

1870 年，廷德尔还在一本关于光的性质的入门书中写到了全内反射的特性。当光从空气进入水体时，折射光线会向垂线弯曲；当光线从水体进入空气时，它会偏离垂线。如果水中光线与水面垂线的夹角大于 48 度，光线将无法离开水面，它会在水面完全反射。标志着全反射开始的极限角称为介质的极限角。水的极限角是 48°27′ ，火石玻璃的极限角是 38°41′ ，钻石是 23°42′ 。这就是光纤能够保持光在一个封闭的通道内不流失而传向远方的最早实验探索。

19 世纪末，几位维也纳医生利用弯曲的玻璃棒引导光线照亮体腔，这也算胃镜技术的先祖行为吧。没过多久，诸如牙科利用的近距离内部照明等实际应用产生。

04 二十世纪

1920 年代，英国无线电实验者克拉伦斯 ·W· 汉斯尔和英国的电视先驱约翰 · 罗杰 · 贝尔德分别独立证明了通过管道传输图像的技术。

1930 年代，德国医科学生海因里希 · 拉姆证明可以通过一束未包覆的光纤传输图像，并将其用于内部医学检查，不幸的是，他的具有重大意义的研究没有受到重视。

1953 年，荷兰科学家 Bram van Heel 第一次通过实验证实通过带有透明包层的光纤束传输图像。同年晚些时候，伦敦帝国理工学院的 Harold Hopkins 和 Narinder Singh Kapany 成功制作出包含 10,000 多根光纤的图像传输束，随后又通过由数千根光纤组成的 75 厘米长的光束实现了图像传输。

1956 年，美国密歇根大学的研究人员 Basil Hirschowitz 、 C. Wilbur Peters 和 Lawrence E. Curtiss 申请了第一台实用的光纤半柔性胃镜的专利。他们生产出了第一根玻璃包层光纤，摆脱了之前用油和蜡作为低折射率的包层材料的困境。

1960 年，激光器诞生，为光 通信 提供光源。同年，光纤之父纳林德· 辛格· 卡帕尼在发表于《科学美国人》的文章中，向广大读者介绍了光纤这一概念，「 光纤」 一词出现。

1965 年，英国标准电话电缆公司 (STC) 的华裔科学家高锟（出生上海）和 George A. Hockham 首次提出光纤衰减可降至每公里 20 分贝 (dB/km) 以下，从而使光纤成为一种实用的通信媒介，他们明确制造这种光纤的正确材料为高纯度石英玻璃。这一发现使高锟获得了 2009 年诺贝尔物理学奖。

1965 年，德国物理学家曼弗雷德 · 伯纳（ Manfred Börner ）在乌尔姆的研究实验室演示了首个可运行的光纤数据传输系统，并于 1966 年首次申请了该技术的专利。

1968 年，美国国家航空航天局（ NASA ）在送往月球的电视摄像机中秘密使用了光纤。

1970 年，美国玻璃制造商康宁玻璃公司的研究人员 Robert D. Maurer 、 Donald Keck 、 Peter C. Schultz 和 Frank Zimar 首次实现了 20 dB/km 这一至关重要的衰减极限。他们通过在石英玻璃中掺杂钛，演示了一种衰减为 17dB/km 的光纤材料。数年后，他们再次实现突破，使用二氧化锗作为纤芯掺杂剂，生产出了衰减仅为 4dB/km 的光纤。

1981 年，美国通用电气生产出熔融石英锭，可拉成 25 英里（ 40 公里）长的光纤束。

1983 年，贝尔实验室的托马斯 · 门萨（ Dr. Thomas Mensah ），将生产速度提高到每秒 50 米以上，使光纤电缆比传统的铜电缆更便宜。

1986 年和 1987 年，由南安普顿大学的 David N. Payne 和贝尔实验室的 Emmanuel Desurvire 领导的两个团队开发了掺铒光纤放大器，降低了长距离光纤系统的成本。

1988 年，首条跨大西洋光缆 TAT-8 投入使用，光纤取代铜缆，开始在主干网大规模应用，开启全球光缆时代。

1991 年，光子晶体光纤（ photonic-crystal fiber ）通过周期性结构的衍射而非全内反射来传导光线，比传统光纤能够传输更高的功率，并且可以控制其波长依赖性以提高性能。首批光子晶体光纤于 2000 年实现商业化。

05 二十一世纪

进入 21 世纪，伴随互联网和移动通信的爆炸式发展，尤其是如今人工智能的爆发，对带宽的需求呈指数级增长。波分复用（ WDM ）技术的普及应用成为解决这一挑战的关键。该技术通过在单根光纤中同时传输多个不同波长的光信号，成倍提升了传输容量。

此外，为突破传统强度调制 / 直接检测（ IM/DD ）方式的带宽利用率瓶颈，相干光通信技术被引入，通过更复杂的调制和检测方式，极大地提高了频谱效率和传输距离。

简单说，光通信技术把人类世界「 编织」 成一张巨大的无所不在的光的网络，让信息以接近光速在地球流动、传播，想想我们的手机和电脑每天能够接收到的信息量，这都得益于光纤技术的发展。

随着云计算、大数据、人工智能和物联网的爆发式增长，数据中心内部和数据中心之间（ DCI ）对超高带宽和低延迟的互连需求日益迫切。光通信正在逐步取代电连接，成为解决数据中心内和数据中心之间海量信息传输的终极方案。

来源：晚晚的星河日记一点号