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闲谈光纤
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来美国早的人，可能还记得八十年代Sprint长途电话公司的广告：一根针落在地上的声音，在电话另一端听得清清楚楚。这样高的音质，是因为他们用了光纤网络。其实，Sprint的通话质量并不比竞争者好。但用“光纤”这个先进技术作卖点，还是很有效果的。二十多年后的今天，光纤已经无所不在了。我们每天看见，听见的信息，都在光纤中传送过。就像电线，水管等一样，我们在享受其服务的同时，已经对它本身视而不见了。
2009年物理诺贝尔奖由“光纤之父”高琨分享一半，又把光纤带入了人们的视界。关于这一年的得奖工作，有一篇很好的介绍：http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2009.php 这里就不重复了。本文将简单介绍一下光纤的历史和现代光纤通信中的几个关键技术。
光纤的基本原理是我们都熟悉的全反射。当光在玻璃内传播时，在一定条件下会被玻璃的表面来回反射而不漏到外面去。这样光就会沿着玻璃传到另一端。这个原理在十九世纪人们就知道了，也用玻璃纤维来传送影像和数据。但是现代光纤的出现，还依赖于三个重大科学成果。
首先，现代光纤并不是简单的全反射“光管”。它更像微波上用的波导管：电磁场在边界的约束下以一定的模式振动和传播。光纤有两层材料：最里面的芯管和外面的覆层。两者的界面，就是上面说的“反射层”了。但实际上光并不是限于在芯管中传播，而是被芯管“引导”着，在两种介质中同时传播。这个理论在一九六一年提出，指导了光纤结构设计的方向。事实上，今天除了极短距离外，所有光纤都是“单模”式的，也就是只有一种电磁振动模式能够在其中传播。这种光纤的芯管只有几个微米直径，是光的波长的几倍。所以光在其中的传播不能用“反射”这样的几何光学语言来描写。【注一】
第二，就是高琨提出的光衰减的来源。高琨在一九六六年指出，光纤中的光损失主要是由于杂质。如果能制造纯度极高的玻璃，光的损失就可以从当时的二十米损失99%减少到1000米损失99%。而今天的光纤，是一百公里损失99%。光损失的减小，排除了光纤走向实用的障碍。
第三个科学成果，就是激光的发明和应用。1975年，第一个商用的，可以在室温下连续发光的半导体激光器问世。两年后（1977年），在芝加哥就建成了第一个实验光纤回路。同年，AT&T在芝加哥正式使用光纤传送电话信号。
与铜线相比，光纤在长距离传送方面是理想得多的载体。一方面，它的频宽非常宽，也就是传送数据的速度非常高。一条光纤能抵成千上万条铜线。另一方面，它的损耗很低，也就不需要途中有很多放大站。这在海底电缆上特别有好处。但是，这些放大站却比铜线中的要麻烦得多。放大光信号，需要先把光信号转变为电信号并取出其中的数据，再重新调制到光波上去。到了1990年代，光放大器开始广泛应用。光放大器可以直接增强光的强度，而不用转化成电子信号。但是，经过长距离传输后光信号的波形会有畸变，噪声也会增加。所以还是需要在一定距离后将它转变为电信号“清理”以后再继续传送（称为再生）。所以，长距离光纤线路上接有很多光放大器和电子再生器。现在，新一代的器件也可以在光放大的同时作一定程度的修正和清理，减少了所需要的电子再生器的数量。
虽然作为传播媒介来说，光纤比铜线要好得多，但它也不是完美无缺的。对于长途传送来说，光纤的主要问题是非线性和色散。色散是指不同波长的光传播的速度不同。这样，一个光脉冲在传播过程中会变宽，而和别的脉冲混在一起。这就限制了脉冲之间的最小距离，也就限制了数据传送速率。在输送功率高的时候，非线性会使得光的谱线变宽，从而加剧了色散现象。光纤线路中可以加入具有相反色散系数的一段光纤来近似地补偿色散，从而增加再生器之间的传送距离。
一条光纤上，还可以同时传送不同波长的光信号。现代的高速光纤网路普遍采用高密度波长多分（DWDM）技术，用几十，几百个十分接近的波长来并行传送数据。除了达到超高的传送速率外，这种技术还为数据处理带来了方便。在终端上，我们可以对每个波长所运载的数据进行加载或卸载，而不需要把其他波长的光信号转变为电信号。当然，这种技术对于光源的稳定性和光纤的传送质量也有了更高的要求。
数据传送速率提高后，数据处理中的电子部分就成了“瓶颈”。于是，人们设法在光学的范围内完成更多的处理。光纤网络中的路由器好象是铁路转运中心，负责把一条铁路（光纤）上进来的货物（数据）按照其目的地放到相应的铁路上运出去。最早的路由器是电子的，需要把数据从光信号上解调出来，送到相应的出口，再调制成光信号。这相当于转运中心要把货物卸下列车再重新装车。而全光路由器则试图避免这样的转换。目前的全光型路由器可以把一个波长的光接驳到相应的出口光纤，并根据需要转换波长。这好像是把一节车厢直接编组到新的列车上，比装货卸货要省事多了。但是有个条件，就是一条波长上的数据的目的地是一样的。随着光接驳的速度加快，在不久的将来能实现在数据包层次上的接驳而不需要光、电之间的转换。这样，系统的容量又能进一步提高了。
以上说的都是长距离，高速度的数据传送。除此以外，光纤也用在家庭和企业的接入服务上，也就是所谓“光纤到户”。这种技术中主要的挑战就是降低成本了。
三十年前第一条实用光纤，传送速度是45兆比特/秒(Mb/s)。现在的传送速度已经高于太比特/秒（Tb/s），提高了近十万倍！但是这还没到尽头。随着各种技术的发展，在不久的将来传送速度还有望继续提高。下面就介绍两个活跃的研究方向。
目前光信号的调制是很简单的，基本上就是“开”和“关”两种状态。一个波长在每个脉冲时段可以传送两个比特（数位）的数据（使用两个相差90度相位的载波）。加上偏振的话，速度可以再加一倍。如果象铜线的数字通信一样使用更复杂的调制方式，就可以进一步提高传送速率。但这就要求在接收端有更复杂的信号处理。这在以前很难办到，因为所要求的时钟速度太高了。但随着电子技术的进步，现在信号处理的复杂度正在增加。这不仅能支持速率更高的调制方式，而且能用电子信号处理来更精确地纠正光纤传输中的畸变，从另一方面提高传送速率。有了强大的信号处理，光纤的传送速度就可望接近香农极限了。
上面说到，光纤传送的大敌是非线性和色散。但柳暗花明，这两个特性却造就了一种新的传送技术：孤立子（soliton）。非线性和色散在一定条件下的组合，可以让一个脉冲传播很长距离而不改变形状。这个在十九世纪就被发现的现象，曾经是数学上一个冷僻的研究题目。但到了1973年，有人提出在光纤中能产生孤立子。1990年代，已经做出了演示系统，证明孤立子在光纤中可以高速传送数据，而且只靠光放大器，不需要电子再生就可以传送上亿公里。这个技术实用化以后，光纤通信的性能又可以大大提高。
光纤问世三十多年来，已经彻底改变了有线数字通信的格局。从“落针听声”的广告到今天无处不在的光纤网路，我们的生活也发生了重大的变化。信息对我们来说已经象水和空气一样不可或缺了。随着传送速率的进一步增加和传送成本的进一步降低，还有着无穷无尽的新应用等着我们去发明和享受呢。
【注一】按照几何光学的说法，芯管和覆层之间的界面是光密到光疏介质，所以能形成全反射。这样光线就在芯管内部迂回前进。根据入射角的不同，光线走的路途也不同，所以到达终端的时间也会有区别。这样，一个光脉冲经过传输后就会散开，所以不能传太远。
当芯管的直径与波长同一个量级时，光波的传播就不能用直线来近似了，而要在给定的边界条件下解波动方程。一般来说，在同一个边界条件下可以有很多解，这些解称为这种边界条件下的模（例如，在自由空间，任何方向的平面波都是波动方程的解）。但是当芯管直径很小时，波动方程只有一个解，这种情况称为单模。在单模传播条件下，光脉冲可以传送很长距离而不散开。
也可以这么想：光波是向四面八方传播，又从四面八方反射回来。而只有在一定条件下，这些反射才会相互增强而不是抵消，而形成一个“模”。
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2009年物理诺贝尔奖由“光纤之父”高琨分享一半，又把光纤带入了人们的视界。关于这一年的得奖工作，有一篇很好的介绍：http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2009.php 这里就不重复了。本文将简单介绍一下光纤的历史和现代光纤通信中的几个关键技术。
光纤的基本原理是我们都熟悉的全反射。当光在玻璃内传播时，在一定条件下会被玻璃的表面来回反射而不漏到外面去。这样光就会沿着玻璃传到另一端。这个原理在十九世纪人们就知道了，也用玻璃纤维来传送影像和数据。但是现代光纤的出现，还依赖于三个重大科学成果。
首先，现代光纤并不是简单的全反射“光管”。它更像微波上用的波导管：电磁场在边界的约束下以一定的模式振动和传播。光纤有两层材料：最里面的芯管和外面的覆层。两者的界面，就是上面说的“反射层”了。但实际上光并不是限于在芯管中传播，而是被芯管“引导”着，在两种介质中同时传播。这个理论在一九六一年提出，指导了光纤结构设计的方向。事实上，今天除了极短距离外，所有光纤都是“单模”式的，也就是只有一种电磁振动模式能够在其中传播。这种光纤的芯管只有几个微米直径，是光的波长的几倍。所以光在其中的传播不能用“反射”这样的几何光学语言来描写。【注一】
第二，就是高琨提出的光衰减的来源。高琨在一九六六年指出，光纤中的光损失主要是由于杂质。如果能制造纯度极高的玻璃，光的损失就可以从当时的二十米损失99%减少到1000米损失99%。而今天的光纤，是一百公里损失99%。光损失的减小，排除了光纤走向实用的障碍。
第三个科学成果，就是激光的发明和应用。1975年，第一个商用的，可以在室温下连续发光的半导体激光器问世。两年后（1977年），在芝加哥就建成了第一个实验光纤回路。同年，AT&T在芝加哥正式使用光纤传送电话信号。
与铜线相比，光纤在长距离传送方面是理想得多的载体。一方面，它的频宽非常宽，也就是传送数据的速度非常高。一条光纤能抵成千上万条铜线。另一方面，它的损耗很低，也就不需要途中有很多放大站。这在海底电缆上特别有好处。但是，这些放大站却比铜线中的要麻烦得多。放大光信号，需要先把光信号转变为电信号并取出其中的数据，再重新调制到光波上去。到了1990年代，光放大器开始广泛应用。光放大器可以直接增强光的强度，而不用转化成电子信号。但是，经过长距离传输后光信号的波形会有畸变，噪声也会增加。所以还是需要在一定距离后将它转变为电信号“清理”以后再继续传送（称为再生）。所以，长距离光纤线路上接有很多光放大器和电子再生器。现在，新一代的器件也可以在光放大的同时作一定程度的修正和清理，减少了所需要的电子再生器的数量。
虽然作为传播媒介来说，光纤比铜线要好得多，但它也不是完美无缺的。对于长途传送来说，光纤的主要问题是非线性和色散。色散是指不同波长的光传播的速度不同。这样，一个光脉冲在传播过程中会变宽，而和别的脉冲混在一起。这就限制了脉冲之间的最小距离，也就限制了数据传送速率。在输送功率高的时候，非线性会使得光的谱线变宽，从而加剧了色散现象。光纤线路中可以加入具有相反色散系数的一段光纤来近似地补偿色散，从而增加再生器之间的传送距离。
一条光纤上，还可以同时传送不同波长的光信号。现代的高速光纤网路普遍采用高密度波长多分（DWDM）技术，用几十，几百个十分接近的波长来并行传送数据。除了达到超高的传送速率外，这种技术还为数据处理带来了方便。在终端上，我们可以对每个波长所运载的数据进行加载或卸载，而不需要把其他波长的光信号转变为电信号。当然，这种技术对于光源的稳定性和光纤的传送质量也有了更高的要求。
数据传送速率提高后，数据处理中的电子部分就成了“瓶颈”。于是，人们设法在光学的范围内完成更多的处理。光纤网络中的路由器好象是铁路转运中心，负责把一条铁路（光纤）上进来的货物（数据）按照其目的地放到相应的铁路上运出去。最早的路由器是电子的，需要把数据从光信号上解调出来，送到相应的出口，再调制成光信号。这相当于转运中心要把货物卸下列车再重新装车。而全光路由器则试图避免这样的转换。目前的全光型路由器可以把一个波长的光接驳到相应的出口光纤，并根据需要转换波长。这好像是把一节车厢直接编组到新的列车上，比装货卸货要省事多了。但是有个条件，就是一条波长上的数据的目的地是一样的。随着光接驳的速度加快，在不久的将来能实现在数据包层次上的接驳而不需要光、电之间的转换。这样，系统的容量又能进一步提高了。
以上说的都是长距离，高速度的数据传送。除此以外，光纤也用在家庭和企业的接入服务上，也就是所谓“光纤到户”。这种技术中主要的挑战就是降低成本了。
三十年前第一条实用光纤，传送速度是45兆比特/秒(Mb/s)。现在的传送速度已经高于太比特/秒（Tb/s），提高了近十万倍！但是这还没到尽头。随着各种技术的发展，在不久的将来传送速度还有望继续提高。下面就介绍两个活跃的研究方向。
目前光信号的调制是很简单的，基本上就是“开”和“关”两种状态。一个波长在每个脉冲时段可以传送两个比特（数位）的数据（使用两个相差90度相位的载波）。加上偏振的话，速度可以再加一倍。如果象铜线的数字通信一样使用更复杂的调制方式，就可以进一步提高传送速率。但这就要求在接收端有更复杂的信号处理。这在以前很难办到，因为所要求的时钟速度太高了。但随着电子技术的进步，现在信号处理的复杂度正在增加。这不仅能支持速率更高的调制方式，而且能用电子信号处理来更精确地纠正光纤传输中的畸变，从另一方面提高传送速率。有了强大的信号处理，光纤的传送速度就可望接近香农极限了。
上面说到，光纤传送的大敌是非线性和色散。但柳暗花明，这两个特性却造就了一种新的传送技术：孤立子（soliton）。非线性和色散在一定条件下的组合，可以让一个脉冲传播很长距离而不改变形状。这个在十九世纪就被发现的现象，曾经是数学上一个冷僻的研究题目。但到了1973年，有人提出在光纤中能产生孤立子。1990年代，已经做出了演示系统，证明孤立子在光纤中可以高速传送数据，而且只靠光放大器，不需要电子再生就可以传送上亿公里。这个技术实用化以后，光纤通信的性能又可以大大提高。
光纤问世三十多年来，已经彻底改变了有线数字通信的格局。从“落针听声”的广告到今天无处不在的光纤网路，我们的生活也发生了重大的变化。信息对我们来说已经象水和空气一样不可或缺了。随着传送速率的进一步增加和传送成本的进一步降低，还有着无穷无尽的新应用等着我们去发明和享受呢。
【注一】按照几何光学的说法，芯管和覆层之间的界面是光密到光疏介质，所以能形成全反射。这样光线就在芯管内部迂回前进。根据入射角的不同，光线走的路途也不同，所以到达终端的时间也会有区别。这样，一个光脉冲经过传输后就会散开，所以不能传太远。
当芯管的直径与波长同一个量级时，光波的传播就不能用直线来近似了，而要在给定的边界条件下解波动方程。一般来说，在同一个边界条件下可以有很多解，这些解称为这种边界条件下的模（例如，在自由空间，任何方向的平面波都是波动方程的解）。但是当芯管直径很小时，波动方程只有一个解，这种情况称为单模。在单模传播条件下，光脉冲可以传送很长距离而不散开。
也可以这么想：光波是向四面八方传播，又从四面八方反射回来。而只有在一定条件下，这些反射才会相互增强而不是抵消，而形成一个“模”。
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