近代光通信

劉晨

上一期，我向大家介紹了古代光通信的幾種方式。隨著科學技術不斷進步，人類使用的光通信技術也在不斷向更先進、更完善的方向發展。

到了近代，光通信出現了兩種較先進的方式：一是光電話，二是透鏡波導光波傳輸系統。

什么是光電話？

首先，我們來看什么是電話。其實早在公元968年，中國人便發明了一種叫“竹信”的東西。它由兩個小竹筒和連接竹筒的繩子組成，可以讓使用它的兩個人小聲通話，被認為是電話的雛形。現在，我們使用的普通電話是用電磁波傳遞信息。電話的發明離不開美國發明家亞歷山大·格拉漢姆·貝爾的貢獻。

一次，貝爾在做實驗時發現了一個有趣的現象：當電荷定向流動和停止流動時，螺旋線圈會發出噪聲，就像電報機發送莫爾斯電碼時一樣發聲。他聯想到如果使電流的強度產生變化，模擬出人講話時聲波的變化，那么不就可以用電流傳送聲音了嗎？

于是，貝爾開始研究電磁學，進行一系列實驗。1878年，他在美國波士頓和紐約之間進行了首次長途電話試驗，兩地相距300多千米，試驗獲得成功。此后，電話很快得到廣泛應用。

1880年，貝爾又發明了光電話。這種電話不用普通電磁波，而是用光作為載體傳送語音。它是現代光通信的雛形。

如上圖，貝爾將弧光燈的光束投射在話筒的振動片上，因聲波帶動振動片而得到強弱變化的反射光束。貝爾的光電話和烽燧通信一樣，都是以大氣作為光通道，光傳輸易受氣候影響，傳送信息的距離不是很遠。

針對光電話的不足，人們一次次進行光波地下傳輸試驗，后來發明了透鏡波導光波傳輸系統：在金屬管道內每隔一定距離放一個聚焦透鏡，使光在管道中不斷地邊聚焦邊向前傳輸。由于現場施工十分復雜，每個聚焦透鏡需要被嚴格校準和牢固安裝，系統造價高，后期調整、測試和維修很困難，所以這個系統的實用意義不大。

但是，該系統對光纖通信的發展還是有貢獻的，因為光導纖維的導光原理與透鏡波導光波的原理基本相似，只是前者構思更巧妙、使用更合理。

1960年5月16日，美國人梅曼發明了紅寶石激光器。它的輸出功率為10000瓦，發出的激光強度大約為太陽光強度的1000萬倍。激光是光波，也具有電磁波的性質，在通信領域內是一種理想的載體。它的出現，給光通信帶來了新希望。

不過，起初的研究并不順利。科學家進行了大氣激光通信實驗，但沒有找到性質穩定和低損耗的傳輸介質。直到高錕從事光導纖維在通信領域內如何應用的研究并取得重大成果，光纖通信才進入大眾的視野。

光纖通信是用激光作為信息的載體，并通過光導纖維來傳遞信息的通信系統，其原理其實很簡單——光的全反射原理。

何謂光的全反射？它是指光由光密介質（此介質的折射率大）射到光疏介質（此介質的折射率小）的界面時，全部反射的現象。而在一般情況下，光從一種介質射到另一種介質的界面時，既有反射光（返回原介質），又有透射光（射入另一介質）。

我們日常使用的電腦、手機、IP電話等的通信方式就是光纖通信，它們連接至地區通信網、國家通信網、全球通信網，使地球村得以形成。沒有光纖通信，就不可能有當代的通信工具，我們的生活也不可能如此便捷。

那么，光纖通信具體是如何發明的？在發明光纖通信的過程中，有哪些有趣的故事呢？小讀者們，請繼續關注本欄目下一篇《現代光通信》。