1.2 近代光通信

贝尔发明电话的故事

亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell），1847年生于英国苏格兰，他的祖父和父亲毕生都从事聋哑人的教育事业，由于家庭的影响，他从小就对声学和语言学有浓厚的兴趣。开始，他的兴趣是在研究电报上。有一次，当他在做电报实验时，偶然发现了一块铁片在磁铁前振动会发出微弱声音的现象，而且他还发现这种声音能通过导线传向远方。这给贝尔以很大的启发。他想，如果对着铁片讲话，不也可以引起铁片的振动吗？这就是贝尔关于电话的最初构想。

贝尔发明电话的努力得到了当时美国著名的物理学家约瑟夫·亨利的鼓励。亨利对他说：“你有一个伟大发明的设想，干吧！”当贝尔说到自己缺乏电学知识时，亨利说：“学吧！”

在亨利的鼓舞下，贝尔开始了实验，一次不小心把瓶内的硫酸溅到了自己的腿上，他疼痛得喊叫起来：“沃特森先生，快来帮我啊！”想不到，这一句极普通的话，竟成了人类通过电话传送的第一句话音。正在另一个房间工作的贝尔先生的助手沃特森是第一个从电话里听到电话声音的人。贝尔在得知自己试验的电话已经能够传送声音时，热泪盈眶。当天晚上，他在写给母亲的信中预言：“朋友们各自留在家里，不用出门也能互相交谈的日子就要到来了！”

1875年6月2日傍晚，当时贝尔28岁，沃特森21岁，他们趁热打铁，经过半年的改进，终于制成了世界上第一台实用的电话机。

贝尔1875年6月2日制成了世界上第一台实用的电话机，1876年3月，贝尔的电话专利申请获得美国批准。两年后的1878年，贝尔在波士顿，其助手沃特森在纽约，两地相距300多千米，首次进行了长途电话实验，如图1.2.1所示。

1.2.1 贝尔发明光电话

1876年，贝尔发明了光电话，他用太阳光作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上。如图1.2.2所示，人嘴对准橡胶管前面的送话口，一发出声音，振动镜就振动而发生变形，引起光的反射系数改变，使光强度随语音的强弱变化，实现语音对光强度的调制。这种已调制的反射光通过透镜2变成平行光束向右传送。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传送来的光束反射到处于焦点的硒管上，硒的电阻随光的强弱变化，使光信号变换为电流，传送到受话器，使受话器再生出声音。在这种光波系统中，光源是太阳光，接收器是硒管，传输介质是大气。1880年使用这种光电话传输距离最远仅213m，很显然，这种系统没有实用价值。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，报道了他的光电话装置。

1.2.2 梅曼发明激光器

用灯泡作光源，调制速度非常有限，只能载运一路音频信号。

1958年有人制造出了世界上第一台微波发射器，美国人梅曼（Theodore Harold Maiman，1927—2007年）受到其理论的启发，决定设计能发射可见光的激光器，但他的主管反对这项研究，于是梅曼从政府那里获得了5万美元的研究预算。他的固体激光器使用位于装置中心的人造红宝石棒作为工作物质，用螺旋状氙灯作泵浦源，如图1.2.3a所示。作为谐振腔的掺有铬离子（Cr³⁺）的红宝石（Al₂O₃）棒的一端镀成全反射镜，另一端镀成半反射镜。1960年5月16日，梅曼利用这台设备获得了波长为694.3nm的脉冲相干光，1960年7月7日他又在曼哈顿的一个新闻发布会上当众演示了他发明的世界上第一台红宝石激光器。图1.2.3b是对梅曼的介绍。

之后氦-氖（He-Ne）气体激光器、二氧化碳（CO₂）激光器也先后出现，并投入实际应用，给光通信带来了新的希望。激光（LASER）是取英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一个字母组成的缩写词，其意思是受激发射的光放大。这种光与燃烧木材和钨丝灯发出的光不一样，它由物质原子结构的本质所决定，它的频率很高，超过微波频率一万倍，也就是说它的通信容量是微波的一万倍，如果每个话路频带宽度为4000Hz，则可容纳100亿个话路。而且，激光的频率成分单纯、方向性好、光束发散角小，几乎是一束平行的光束，所以对光通信很有吸引力。但是最初发明的激光器在室温下不能连续工作，因此，不能在通信中获得实际应用。

1.2.3 最早的光通信系统

自贝尔发明光电话后，有人又用弧光灯代替日光作为光源延长了通信距离，但还是只限于数千米。在第一次世界大战期间，曾有人使用弧光灯作发射机，通过声生电流对其光强进行调制；使用硅光电池作接收器，当调制后的光信号照射到硅光电池的PN结上时，通过光伏效应就在外电路产生变化的光电流，在晴好天气通信距离可达8km，如图1.2.4a所示。当光电倍赠管出现后，人们又用它作为接收器，将调制后的光信号还原成电信号，如图1.2.4b所示。

光电倍增管中有电压逐级提高的多级阳极，其工作原理就是利用电子多级加速发射使外电路的光生电流放大。

实验表明，用光波承载信息的大气传输进行点对点通信是可行的，但是通话的性能受空气质量和气候影响十分严重，不能实现全天候通信。

为了克服气候对激光通信的影响，人们把激光束限制在特定的空间内传输，因而在1958年美国古鲍等提出了透镜阵列光波导（1965年，E.Miller进行了报道）和反射镜阵列光波导的光波传输系统，如图1.2.4b和图1.2.4c所示。这两种波导从理论上说是可行的，但是实现起来却非常困难，地上人为活动会使地下透镜光波导变形和振动，为此必须把光波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。

1.2.4 光纤通信鼻祖——高锟

高锟——光纤之父、诺贝尔物理学奖得主

高锟1933年出生于江苏省金山县（今上海市金山区），从小就对科学很有兴趣，喜欢做模型、烟火，还把自制的泥巴外皮“炸弹”扔到街头，发生爆炸，幸好没有伤到路人。家中的三楼一直是他童年的实验室。

高锟一家1948年移居香港，1954年赴英国攻读电机工程，1957年获得伦敦大学电子工程理学学士学位，1965年获得伦敦大学博士学位。

1960年，高锟进入美国国际电话电报公司（International Telephone and Telegraph，ITT）设于英国的欧洲研究中心——标准电信实验室（Standard Telecommunication Laboratory，STL）任工程师，重点研究毫米波微波传输通信系统。研究三年后，他发现该技术面临着各种限制，没办法从根本上改善通信。1964年，他提出在电话网络中以光波代替电波，以硅纤维代替铜导线。1966年7月，33岁的高锟登上了人生的第一座高峰，发表了《用于光波传输的电介质纤维表面波导》（Dielectric-fiber surface waveguide for optical frequency）的里程碑论文，他预测，当玻璃纤维损耗下降到20dB/km时，以石英玻璃纤维作长途信息传递的介质将带来一场通信业的革命。但是，当时热门的通信技术是毫米波空心波导通信和金属空心管内一系列透镜构成的光波导，贝尔实验室的研究重点还是空心光波导。因此，这篇论文刚发表时，并没有在通信界引起人们的注意，主流的研究室都不看好光纤通信，甚至有人讥讽其为痴人说梦。

当然，做出损耗低于20dB/km的玻璃纤维并不是一件容易的事，要知道当时世界上最好的光学玻璃是德国的照相机镜头，其损耗是700dB/km，常规玻璃损耗约为几万dB/km。因此，当时贝尔实验室的权威专家都断定光纤通信没有前途，继续致力于研究空心光波导系统。高锟访问贝尔实验室，想寻求帮助时，还受到了冷遇。

不过，高锟并没有因此灰心。为了找到那种没有杂质的玻璃，高锟跑了很多地方，去了许多玻璃工厂。高锟的执着打动了英国国防部和英国邮政总局。1967年，英国邮政总局拨款给高锟研究光学纤维。

当时世界最大的玻璃公司康宁（Corning）看到高锟的预言后，斥资3000万美元，在1970年首次研制成功损耗为20dB/km的光纤。

至此，贝尔实验室的研究员开始相信高锟的研究，1970年也开始研究光纤通信，1972年停止了所有空心光波导的研究。1973年，美国贝尔实验室研制出损耗降低到2.5dB/km的光纤。1970年，室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器也研制成功。1976年后，各种实用的光纤通信系统陆续面世。低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。

高锟曾说过，所有的科学家都应该固执，只要觉得自己是对的，就要坚持，否则不会成功。是的，正因为他的坚持，我们才能迎来光纤通信的时代。

高锟著有《光纤通信系统：理论、设计和应用》（Optical Fiber Systems：Technology，Design，and Applications），于1982年由麦克劳希尔（McGraw-Hill）出版社出版；另著有《潮平岸阔——高锟自述》，2005年由香港三联书局出版。

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。这种玻璃丝叫作光学纤维，简称“光纤”。人们用它制成了在医疗上用的内窥镜（胃镜）。但是它的衰减损耗很大，只能传送很短的距离。

直到20世纪60年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在1000dB/km以上，这是什么概念呢？10dB/km就是输入的信号传送1km后只剩下了十分之一，20dB就表示只剩下百分之一，30dB是指只剩千分之一，以此类推，1000dB的含意就是只剩下1/10¹⁰⁰，这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的希望渺茫，从而放弃了光纤通信的研究。

就在这种情况下，出生于上海的高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所做的大量研究的基础上，对光波通信做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，那么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1000dB/km降低到20dB/km，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。

在高锟早期的实验中，光纤的损耗约为1000dB/km，他指出这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质离子的吸收产生的，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10^-6以下，光纤损耗就可以减小到10dB/km，再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减小到几dB/km。这种想法很快就变成了现实，1970年，光纤进展取得了重大突破，美国康宁（Corning）公司成功研制损耗为20dB/km的石英光纤。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3dB）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20dB的光纤长度可达150m。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。

在现已安装使用的光纤通信系统中，光纤长度有的很短，只有几米长（计算机内部或机房内），有的又很长，如连接洲与洲之间的海底光缆。20世纪70年代中期以来，光纤通信的发展速度之快令人震惊，可以说没有任何一种通信方式可与之相比拟。光纤通信已成为所有通信系统的最佳技术选择。

由于高锟（Charles K.Kao）在开创光纤通信历史上的卓越贡献，1979年5月获得了瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金，1996年南京紫金山天文台以他的名字命名了一颗小行星（编号为3463）“高锟星（Kaokuen）”，1998年IEE授予他荣誉奖章。2009年10月6日，瑞典皇家科学院又授予高锟2009年度诺贝尔物理学奖，如图1.2.5所示。

目前，一种超低损耗光纤在1550nm波长的损耗仅为0.149dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。图1.2.4d表示目前正在应用的利用光导纤维进行光通信的示意图。

在光纤损耗降低的同时，作为光纤通信用的光源，半导体激光器也被发明出来，并取得了实质性的进展。1970年，美国贝尔实验室和日本NEC先后研制成功室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器。1977年半导体激光器的寿命已达到10⁵小时，完全满足实用化的要求。

低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。

1.2.5 光通信发展简史

爱因斯坦在那不可思议的1905年

1900年12月14日，普朗克（42岁）在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。就在那一年，爱因斯坦从苏黎世联邦理工学院毕业，正在为将来的生活发愁。他在大学里旷了许多课，没有一个人肯留他在校做理论或实验方面的工作，一个即将失业的黯淡前途正等待着这位不修边幅的年轻人。

1905年，幸好瑞士伯尔尼专利局提供给了他一个稳定的职位和收入，从此，他就成了一位留着一头乱蓬蓬头发的具有三等技师职称的26岁小公务员。

这一年是一个相当神秘的年份。在这一年，人类的天才喷薄而出，像江河那般奔涌不息，卷起最震撼人心的美丽浪花。这一年，对于人类的智慧来说，实在要算是一个极致的高峰，在那段日子里谱写出来的美妙的科学旋律，直到今天都让我们心醉神摇。而攀上天才顶峰的人物，便是这位伯尔尼专利局的小公务员——爱因斯坦。

1905年3月17日，爱因斯坦写出了一篇关于辐射的论文——《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，成为量子论的奠基石之一，给他带来了多少人梦寐以求的诺贝尔奖。1905年4月30日，关于测量分子大小的论文为他赢得了博士学位。1905年5月11日和12月19日，两篇关于布朗运动的论文，成为了分子论的里程碑。1905年6月30日，爱因斯坦发表了一篇题为《论运动问题的电动力学》的论文，这个不起眼的题目，后来被加上一个如雷贯耳的名称——狭义相对论。同年9月27日，关于物体惯性和能量关系的论文对狭义相对论进行了进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E=mc²。

为了纪念1905年的光辉，人们把100年后的2005年定为“国际物理年”。

古希腊玻璃工匠发现玻璃棒能传光。

1870年，英国人丁铎尔观察到光沿细小水流传播的现象。

1910年，德国人汉德罗斯、德拜对介质波导进行了分析。

1927年，英国人贝尔德首次利用光全反射现象解释了石英纤维解析图像的原理，并且获得了两项专利。

1930年，德国人拉姆进行了由玻璃纤维传光的最初实验。

1936—1940年，美国人研究波导管通信。

1951年，荷兰人和英国人希尔等开始用柔软玻璃纤维束传送图像。

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，得到了对光线反射的单根纤维。但由于塑料套层不均匀，光能量损失太大。

1958年，美国人古鲍等进行了透镜阵列波导系统传输光束实验。

20世纪60年代初，日本也开始制作塑料包层光纤，并用来传送图像，但损耗很大，在一米长度上光强就衰减到原值的几分之一，不能用来传送信号。

1966年，英籍华人高锟发表里程碑式论文，提出降低玻璃纤维的杂质，使光纤的损耗降低到20dB/km，就有可能把光纤用于通信。

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45Mbit/s。

20世纪70年代，光纤通信系统主要是用多模光纤的短波长（850nm，1nm=10^-9m）。20世纪80年代以后，逐渐改用单模光纤长波长（1310nm）。到20世纪90年代初，通信容量扩大了50倍，达到2.5Gbit/s。

20世纪90年代，传输波长又从1310nm转向更长的1550nm波长，掺铒光纤放大器（EDFA）的应用迅速得到了普及，用它可替代光-电-光再生中继器，同时可对多个1.55μm波段的光信号进行放大，从而使波分复用（WDM）系统得到普及。

光通信发展的简史如表1.2.1所示。

进入21世纪以来，由于多种先进的调制技术、超强FEC纠错技术、电子色散补偿技术等一系列新技术的突破和成熟，以及有源和无源器件集成模块大量问世，出现了以100Gbit/s为基础的WDM系统的应用。