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第79集 光纤的发展故事

第79集 光纤的发展故事 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-21   浏览数:
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  在全球网络建设如火如荼的今天,大到国家信息高速公路,小到光纤入户,现代的信息科技已经和光通信技术到了难解难分的程度。设想一下,如果没有光通信技术,我们将没有办法享受到上网看电影的乐趣,也享受不到3G、4G,以及5G移动通信带来的各种便利。也就是说没有光通信技术的发展,就没有我们现在舒适、便利的互联网生活。由此我们不禁要问,光通信技术是如何到来的?我国的光纤又有着怎样的发展故事? 

  说到通信技术,其实我国很早以前便有了利用烽火台进行通信的方法。再到后来,还有了可以远距离观测的望远镜,航海时使用的旗语,以及马路上使用的交通红绿灯等工具,这些都被人们用来传递信号或者消息。 

  但不论是烽火台、望远镜,还是交通灯,它们都是光通信的不同形式,都可以利用大气来传播可见光,再由人眼来接收光,获得其中表达的含义。也正因为如此,我们才会对它们如此地熟悉,可是这些并不是真正意义上的光通信,真正强大的光通信应该是光纤通信。在这里,我们需要知道,光通信指的是一切利用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称;而光纤通信则是单纯地依靠光纤来传送信息的通信方式。 

  今天,我们要说的主题便是光纤通信,但在此之前,我们先来听听光纤是怎么被发现的。 

  1870年,英国物理学家廷德尔在实验中观察到,把光照射到盛水的容器内,从出水口向外倒水时,光线也沿着水流传播,出现弯曲现象,这看起来不符合光只能直线传播的定律。实际上,这时线是沿直线传播,只不过在水流中出现了光反射现象,因而光是以折线方式前进。 

  廷德尔观察到这种的现象,直至1955年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士,发明了用极细的玻璃制的光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折射率不同的玻璃制成,一种玻璃形成中央中心束线,另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻璃在光学性质上的差别,光线经一定角度从光导纤维的一端射入后,不会从纤维壁逸出,而是沿两层玻璃的界面连续反射前进,从另一端射出。 

  因此,对于光纤,我们可以认为它是一种由玻璃或塑料制成的纤维,利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。光纤很细且容易折断,一般封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。 

  最初,这种光导纤维只是应用在医学上,用光纤束组成内窥镜,可以观察人体肠胃内的疾病,协助医生及时做出确切的判断,但这种光导纤维衰减损耗很大,只能传送很短的距离,大约只有一米左右。 

  光的损耗程度是用每千米多少分贝为单位来衡量的。直到20世纪60年代,最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每千米1000分贝以上。这也就意味着无论如何,这个时期的光纤都不可能应用在通信方面。因此,当时有很多科学家和发明家认为用玻璃纤维通信希望渺茫,纷纷失去了信心,放弃了光纤通信的研究 

  就在这种情况下,出生上海的高锟博士,通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上,对光波通信提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,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每千米1000分贝降低到每千米20分贝,从而有可能用通信等方面。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。 

  到了1970年,世界上第一根低损耗的石英光纤被成功地研制出来,达到了每千米只有20分贝的传输损耗随着国外光纤的研究利用,我开始了低损耗光纤和光通信的研究工作 

  对光纤通信研制来说,有了政策和单位的支持,只是万里长征走了第一步。要知道,在当时我国比较落后的生产设备和工艺条件下,哪一个都是空白,都需要自力更生去解决、去突破、去攻关。不过,我国的科研人员并没有气馁,而是不断地进行钻研学习,最终在20世纪70年代中期成功研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。 

  此外,我国还于1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统,这比世界上第一次现场试验只晚两年多。这些成果成为中国光通信研究的良好开端,并使中国成为当时少有的几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。 

  完成了材料和设备的研制并通过试验验证后,接下来就是实用光纤线路的架设了。1981年9月,我国决定在武汉建立一条光缆通信实用化系统,想要通过实际使用,完成商用试验以定型推广。 

  与研制过程中的试验线路相比,这项工程最突出的困难有两个:一是线路长,要求光纤必须大批量;二是在长距离传输中光纤可能面临损坏,需要及时查找修复。毕竟,光纤无论是悬于空中,还是埋于地下,难免会发生意外出现断裂。面对这些困难,我国的工程师们一次次不分昼夜地生产光纤、随叫随到地检修线路。终于在1982年12月31,中国光纤通信的第一个实用化系统按期全线开通,正式进入武汉市市话网,标志着中国进入光纤数字化通信时代。 

  随着“武汉光缆通信工程”的成功完成,我国又先后完成了数十项由短及长的光纤通信架设工程。其中,1993年完成的北京到武汉再到广州的“京汉广工程”,全长3046公里当时我国也是世界上最长的架空光缆通信线路,这项工程跨越北京、湖北、湖南、广东等6省市。的开通,不仅有效缓解了京汉广沿线的通信线路紧张状况,也对疏通全国光纤通信线路起到了很好的调节作用。 

  如果我们用人体血液循环系统来做比喻,那么“京汉广工程”就相当于光纤通信线路的大动脉,要把光纤通信深入到每个城市和乡村,实现光纤入户,还需要建立数量庞大的分支动脉、小动脉和毛细血管网。 

  如此一来,单靠全国为数不多的几家单位生产相关材料和设备显然是不够的,必须加强光纤和光电产品的产业化和规模化,进而使我国的光纤产业得到了锻炼和加强,最终成为世界光纤制造大国。 

  值得注意的是,在大力发展光纤产业的同时,我国光通信技术的研发工作也并没有松懈,而是取得了很多突破性进展。 

  2019年2月,我国科研人员首次实现1.06 Pbit/s超大容量单模多芯光纤光传输系统实验,通俗一点来说,这项技术可以实现一根光纤上近300亿人同时通话,它的成功标志着我国在“超大容量、超长距离、超高速率”光通信系统研究领域迈向了新的台阶。 

  根据专家的介绍,这次实验采用的传输介质是我国自主研制的一种单模19芯的特种光纤,相比此前单模7芯光纤,传输能力增强了很多,传输容量是目前商用单模光纤传输系统最大容量的10倍,可以在1秒之内传输约130块1TB硬盘所存储的数据。相比2017年实现的560Tb/s光传输系统实验,容量几乎倍增,而在材料上,次实验采用的是我国自主研发的硅基材料芯片。 

  总的来说,光通信作为主要通信网,不论是互联网,还是移动通信等信息,都需要通过基站收集后给光通信系统进行远距离传输,随着未来数据通信的爆炸式增长,现有基础网络压力将越来越大,因此这次实验的突破为我国光通信的发展缓解了数据传输压力,为5G时代到来做了充分的准备。 


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