光学“顺风耳”

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光学“顺风耳”

  谈到千里眼,就会想起顺风耳。人们把无线电通讯称为顺风耳。激光一出现就与通讯结下不解之缘。

  第一台气体激光器——氦氖激光器是美国贝尔电话实验室研制成功的。电话实验室是研究电话的,怎么也研究激光器呢?因为,那时的科学家预见到激光可能成为最先进的通讯工具。

  古代的通讯方式主要靠传口信或写信,由专人步行或骑马递送,速度很慢。要快,就要用火光来传消息。我国早在周代,镇守边关的守军就已经用燃烽火的办法向都城报告外敌入侵的消息,可算是最早的光通讯了。西欧至19世纪前半叶出现过讯标机发报法。如从巴黎到土伦,沿途380公里,每隔一段便在高地上建造一座传送塔,共计120座。发送员摆动长杆代表特定讯号,接收员用望远镜看。传送一个讯号,经过120站,约需1分钟。这也是一种光通讯,比烽火进步多了,但仍有很大的局限性。电报、电话发明以后,千里之外通话就像近在咫尺。电波从上海到北京只需二百分之一秒钟,比火车、飞机快得多。现在原始形式的光通讯被淘汰了,只在一些特殊场合才使用,两地之间的通讯都使用电话、电报和传真电视。

  电话、电报发明到现在100多年来,通讯经历了巨大的变化。从有线到无线,从长波到微波,从地面到空间,从传声到传形等等。而现代工农业、军事技术和科学研究的飞速发展,对通讯的要求越来越高,突出的矛盾是目前的通讯线路容量大大不够。

  所谓线路容量就是一条通讯线路能同时通话的路数。通讯所用的电波频率越高,容量越大。打一个比喻:如果房子一层住60户,两层就住120户,盖20层就可以住1200户,这可住的户数就是容量。显然。房子造得越高,容量也越大。

  我们日常使用的市内电话,一条线路上只能同时有一对用户通话;后来出现了利用高频载波的多路通信技术,一条传输线路上同时通话的数量可以多到成千上万路。从绝对数字来看,已经不算少了;但如果从发展眼光看,还是远远不够的。随着物质文明的进步,人们相互间的通讯需求,必然日趋增多;而且,现在人们已经不满足于听声音,更希望能在电视屏幕上见面。这就要求通讯传输线路的容量比现在的多上几万乃至几十万倍。不过,要增加线路的容量,非要从更高频段中发展不可。目前看来,适合于通讯的更高频段要数光频了,它比微波高几万倍以上。理论上算起来一条光路可通电话几十亿路,电视几十万路。所以人们又想到了光通讯。

  普通光源发出来的光,频率很杂,不能用来作大容量通讯;只有频率极纯的激光才能担当这一重任。

  激光出现的第二年,科学家就用它在大气中做光通讯的试验。结果并不理想,因为激光受风、雨、雾、雪等气候条件的影响,看来只能作短距离通讯之用,但是,却发现它具有两大突出的优点:保密性好、不受外界杂电波的干扰。

  国外有一种名叫“激光通”的最新通讯设备。它的信息传递方式是十分神奇的:漆黑的夜晚,一架飞机在空中寻找目标。当它飞近一座圆顶建筑物时,突然从圆顶上射出一束激光,它立即向下发出一束绿色激光。上下两束激光相遇重合后,整条光束收缩成一条极细的光线。飞机和建筑物之间就通过这条激光线路传送信息。传送速度之快是惊人的。它可以在1秒钟之内传送大致相当于一部大英百科全书的信息容量。要知道一部最新版的16开精装大英百科全书共30册,约4200多万字,堆在桌上足有1米多高呢!

  更有前途的是半导体激光光学纤维通讯,也称光纤通讯。激光在光纤中传播可以避免受大气影响。和通讯电缆相比,光纤细、轻,价格低而效率高;上半导体激光器体积小,耗电省,很适于通讯用。现在还在研究把激光器和通讯系统像集成电路那样制作在一小片光学玻璃上,成为光路。这一项研究成功后,未来的通讯设备就更小巧实用了。

  目前,光纤通讯发展很快。1983年,美国电话电报公司为美国的商业系统安装了2.4万公里的光缆。正在用光缆铺设两条超级通讯线路,把东海岸和西海岸的城市连接入市内电话网使用了3年多。

  最有趣的要算日本在大阪附近筹建的世界上第一座光纤化通讯实验“城市”。“城市”中只用3条干线光缆和14条配线光缆,就把全“市”300户用户和现代文明联系起来了。这里“通讯”的涵义是现代化的,内容十分广泛。

  “市民”通过家里的电视机荧光屏,可以读书、看报,了解天气好坏,查飞机、火车时刻表,还可以查阅科技文献。“市民”可以通过荧光屏和商店营业员对话,从屏上一一出现的商品中选择出自己想要的商品,再告诉营业员,请商店把货物送上门来。“市民”还可以随意点播好电视节目,到约定的时间,点播好的节目就会自动出现在电视机荧光屏上。“市民”们各家看各家的节目,甚至一家人各看各的节目,互不相扰。

  这一“城市”里的电视教学也是新型的:不仅老师和学生能看到对方的动作和表情,听到对方的声音,而且学生之间也能相互交流。学生虽然在家里听课,但与在学校里读书并无两样。

  总之,在这座“城市”里,几乎一切生活事务都可以通过配有计算机的光纤通讯系统解决。

  已经谈了很多关于激光顺风耳的事,现在我们该回答“谁是这辛勤的搬运工”了。回答当然是激光。但是,为什么把激光称为“搬运工”呢?它怎样才把消息从一地传到另一地呢?

  光通讯和电波的道理是相似的。无线电广播中,人的声音通过话筒变为相应变化的电信号,频率约为100赫兹到8000赫兹,称为声频信号。电波的频率比人耳听得见的声音频率要高得多。比如某一电台的广播频率是792千周,即792000赫兹。这么高的频率,又是不加声频信号的等幅电波,人是无法感觉到的。我们通过一种调制电路,使792000赫兹电波的波动幅度随着声频信号传出去,传到你的收音机里,收音机的检波电路把声频信号检出来,并通过喇叭变为声音,放大后,传到你的耳朵里。所以,电波确实是“搬运工”,技术上称为“载波”。载波可以用中波、长波或短波以不同频率在空中传播。

  同一时间里,要播送两套节目,一套音乐,另一套是新闻,就要用两种不同频率的载波。比如上海人民广播电台用792千周、990千周、和1197千周等6个频率播送6种节目。如果这些节目合在一起用同一频率播音,那么,6种不同的声音便夹杂在一起,彼此干扰,谁也听不清。即使是频率不同的载波,如果用的频率相差太小,相互串音,也还是听不清。根据理论计算和实际经验,邻近的两种载波,它们的频率至少要相差20千周设一个广播电台,整个中波波段从540千周到1650千周这个频率范围内也只能设56个广播电台。这个数量,对现代化的广播事业来说是太少了,对现代化通讯就更显得不够。因此科学家发展了短波波段。短波的频率,范围比中波波段要宽广得多,可以容纳较多的电台,用于通讯可以达到几千路。

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