通信之曙光——光纤通信

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通信之曙光——光纤通信

  光是我们再熟悉不过的自然现象了,对光的研究也有着久远的历史。然而,利用光来进行通信却是在本世纪70年代才迅速发展起来的新技术。1960年,美国科学家用红宝石棒制成了世界上第一个崭新的光源——激光。在此以后又过了十年,能够传输光信号的低损耗光导纤维研制成功,从此宣告了光纤通信时代的开始。经过十多年的研究和发展,光纤通信技术的突飞猛进,终于打破了数十年徘徊不前的局面,目前已经相当发达。今天,跨越大西洋的6500公里的海底光缆可供大洋两岸18万人同时通话。跨越太平洋的13000公里的海底光缆线路已交付使用,跨越大西洋和太平洋的海底光缆线路也于1994年正式开通使用。目前,世界上已有的光纤通信线路已超过1000万公里。

  光纤通信系统是以光为载波,利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介,通过光电变换,用光来传输信息的通信系统。是什么魅力吸引着各国科学家们如此热衷于光纤通信的研究呢?这是因为在通信中,信息的传输需要占据一定的频率范围,也叫做频带宽度。例如,电报信号比较简单,只需要上百赫的频带宽度就足够了,这里的“赫”是指电信号频率单位,1秒钟振荡一次叫1赫。电话传输的语言相对复杂些,需占据的频带宽度在2~4千赫之间;而电视就更复杂,不仅有语言,还有图象和色彩信息,需要的频带宽度约6百万赫(6兆赫)。由此可以看出,对于一个通信系统来说,频带越宽,它的传输容量就越大,能传输的信息也就越多。这好比一条马路,马路越宽,能够同时通行的车辆也就越多的道理一样。科学家们研究发现,激光的波长很短,只有约一微米左右,频率可高达300亿万赫,比微波还高出10万到100万倍。也就是说,它的通信能力是微波的100万倍。而且用来传输光的光导纤维虽然细如人的头发丝,但传输信息的本领却大得惊人。从理论上讲,一条光纤可以同时传输1000万套高质量的电视节目或100亿路电话而相互间毫无干扰,即使全世界的人在同时通电话,也还绰绰有余。目前,已实际做到在一对单模光纤上同时传送33,000路电话,而一对铜线至多才传送24路。光纤体积小,重量轻,它的外径才125微米,几百条光纤制成一条光缆,其外形也不过一支普通的铅笔粗细;1千米长的光纤重量只有27克重,制成的光缆也不过100公斤左右,而同样长度的铜电缆则重达好几吨。制造光纤的主要材料是二氧化硅,其资源极为丰富,取之不尽,用之不竭。虽然光纤每个单位的制造成本目前比铜线要高出几倍,但由于光纤的通信容量很大,损耗又低,传输信号的距离很远,因而可以减少传输线路中的中继设备。若按每个信息话路来计算的话,它的成本反而远比铜电缆低的多。

  不仅如此,科学家们还发现,光纤维在传输信号时不仅损耗小,而且对多种形式的电磁干扰具有很强的抗干扰性,特别是在通过高电磁干扰区时,不必配备复杂的屏蔽装置和过多的辅助设备,而效果却比一般电缆传输信号的效果要好得多。此外,用光缆传输信息不会出现像电子通过金属导体时会产生电磁场,因此不会产生信号的泄漏,当然也就更不会被感应所窃取,因此保密性极好。尤其是光纤中传输的信号是光而不是电,所以在如化学工厂或核反应堆等危险环境中使用时,就不会发生火花放电的危险,十分安全。

  在光纤通信系统中,输入的声音、图像等消息变为电信号后,直接将信号在光波上调制,然后把输出的光信号送入光纤进行传输,在接收端的光接收机把从光纤中收到的光信号再转换为电信号,经处理后送给用户。光通信传输方式中的中继机与通信系统中的中继机有相同的作用。作为光纤通信系统中光源的激光器有一种特殊的本领,它发出的光只有单一的波长,我们称它为“相干光”。由于激光器发出的光是相干的,所以不会象手电筒或探照灯的光束那样朝四面八方扩散开,其原因在于自然光很“杂”,是由许多不同波长的光波所组成,因此它们相互“碰撞”和干扰。而激光器则不同,它发出的光很“纯”,仅有一种波长,所以不会出现像自然光那样的相互干扰。如果把激光束打在与地球相隔38万公里的月球上,它的光斑只有几公里,而把高度聚光后的探照灯光束打在月球上,直径可达几千公里。激光的能量始终都集中在所传播的一个固定方向上。为了充分利用激光的信息携载能力,必须对它加以调制,正如在无线电通信中的信号调制方法那样,把所要传送的信息加载到激光上,这样就可以将大量的信息传到很远很远的地方,而这一点是现有的通信方式所望尘莫及的。

  近年来,光纤通信技术在军事上的发展令人瞩目。洲际弹道导弹指挥系统中有了光纤传输,在地面基地通信、舰载通信、卫星地面站、雷达信号远距离传输、战略武器系统及各种保密通信、乃至核潜艇上,光纤通信技术正在取代传统的通信技术。用光缆设备取代金属芯的同轴电缆已在实战中被证明具有很好的效果。在本世纪90年代的海湾战争中,“爱国者”导弹成功地拦截了“飞毛腿”导弹的袭击,从某种程度上讲也有最新研制的光缆设备的一份功劳。这套光缆设备是战术光缆设备,它允许士兵从远处操纵“爱国者”导弹发射架,从而增加了在炮弹和导弹攻击下士兵的生存机会。每个“爱国者”导弹分队由一个作战控制台和多个导弹发射台组成,作战控制室通常安装在一台车内,由它跟踪飞来的“飞毛腿”导弹,并控制发射台发射“爱国者”导弹予以拦截。作战控制台与发射台之间采用了新型的光缆设备作为连接的主要线路,而将以前使用的高频电台的无线电连接作为备用线路。由于光缆是完全绝缘(非金属的不导电材料),且不辐射电磁信号,所以不会被企图跟踪“爱国者”导弹发射的仪器所探测,此外,它的绝缘性能还有效地防止了敌方的干扰和电子对抗,因此实战效果很好,士兵们非常喜欢这套光缆线路。

  光纤通信的进一步研究和发展将改变人们一百多年来对电通信的依赖。计算机专家们也开始对传统的集成电路提出疑问,新型计算机的运算速度是那么快,铜线却成了提高运算速度的障碍。换句话说,计算机的元件是由铜导线连在一起的,是铜导线从一个元件传到另一元件的信息量限制了计算机的效率。因此,虽然人们能够设计出每秒运算上亿次的高速电路,但连接这些电路的铜线却跟不上它的速度。显然,一条全光线路——集成光路,正期待着人们去开创,这是使全光通信变为现实的必由之路。集成光路酷似集成电路,原理也基本相同,只是在集成光路中,集成的不是许许多多的电子元件,而是光学元件。它们是大量的微型激光器、调制器和光导薄膜。目前,世界上已制成的最小的激光器只有人头发厚度的十分之一,可将2亿个这样的激光器集成在一块相当于人指甲大小的芯片上。在使用了集成光路的光纤通信系统中,像说话的声音和图像等信息在通过声到光的转换装置和激光扫描装置后直接变为光信号,送入光纤中传输,而不必像现在的光纤通信系统那样,在发送端和接收端还要分别进行电一光转换和光一电转换,从而使光完全取代电,人类社会也就真正从电通信时代步入了光通信时代。科学家们坚信,光纤通信已经拉开了通信革命的序幕。