說起“光纖通信”，相信大家并不陌生。畢竟對于活躍在互聯(lián)網(wǎng)時代的我們來說，“光纖入戶”早已不是一句口號，而是成為了日常生活中真正的一部分。

       如今，不少人尤其是青少年朋友們，享受著光纖通信高速度的同時，可能很難想象十年之前看低清晰度視頻都會有卡頓的情景。因為那時的“寬帶”還依賴于電話線，通過一種名為“ADSL”的技術(shù)實現(xiàn)，因此網(wǎng)速很有限。

▲電纜通信與光纖通信類比車速相同時小汽車與大貨車單位時間內(nèi)的運貨量原理。

     “小汽車”與“大貨車”

      很多人對光纖通信有一些誤解，誤以為之所以光纖通信比電纜通信等方式上網(wǎng)速度更快，是因為光的物理傳播速度更快。但實際上，電纜通信中的電信號也是以光速進行傳播的。光纖通信速率高于電纜通信的真正原因是光的頻率更高，因此能夠加載的信息量更大，也就是我們常說的帶寬更大。

       舉個不那么恰當?shù)睦?，這就像是一邊是小汽車，一邊是大貨車，即便車速相等，但單位時間內(nèi)運送的貨物量卻不可同日而語。這個例子中，車的速度類比的是光的傳播速度，而車的載貨量類比的則是帶寬。

       雖然理論上通信使用的光頻率越高、波長越短，信息加載的容量就會越高，但是現(xiàn)實中光纖通信使用的卻是近紅外光波（如波長1.55μm左右），而不是頻率更高的可見光。這是科學(xué)家綜合考慮光波長、光纖損耗、光源穩(wěn)定性、綜合成本等諸多因素后做出的選擇。比如，目前用于光通信的光纖對1.55μm幾乎完全透明，損耗相對較低；在光纖中摻雜一部分稀土元素鉺，則可以對1.55μm的入射光起到一定的放大作用，制成光纖信號放大器，實現(xiàn)信號的遠距離傳輸。

       隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們對通信速率的要求越來越高，因此科學(xué)家也對光纖通信技術(shù)進行了多次革新。上文中筆者提到，將電纜換成光纖就像是將小汽車換成了大貨車。但大貨車的載貨量也是有限的，為了進一步提高通信速率，科學(xué)家想到了拓展信道的方法，就像是將狹窄的單車道換成了多個車道的寬馬路。

▲類比大貨車的拓展信道的方法

       光通信發(fā)展前景

       除了利用光的高頻率之外，光的其他特性也被充分利用起來，如波長、相位、偏振等。其中，比較典型的技術(shù)之一就是“波分復(fù)用”技術(shù)。波分復(fù)用中使用的各個波長就是獨立的信道，相互之間不會干擾，因此可以大大提高光纖通信的速率。除了將不同波長作為不同的信道，光的偏振也可以成為拓展信道的方法。因為光可以分解為正交的兩種偏振光，因此在波分復(fù)用的基礎(chǔ)上，信道數(shù)量又可以擴展兩倍。

       近年來，科學(xué)家利用螺旋相位分布的軌道角動量光束，提出了一種理論上可以無限拓展信道的方法。軌道角動量是電磁波的一種固有屬性，使得電磁波傳播過程中呈現(xiàn)螺旋型的相位結(jié)構(gòu)。我們可以用“拓撲荷值”（一般用Ⅰ表示）來表述相位旋轉(zhuǎn)的快慢，不同拓撲荷值的光波傳播相互之間不受影響，因此可以作為獨立的信道。由于拓撲荷值可以取任意的整數(shù)值，因此理論上利用軌道角動量光束可以無限拓展光通信的信道，極大地提高通信速率。這也是如今光通信領(lǐng)域的研究熱點。

       經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，光纖通信技術(shù)早已改變了世界的格局，讓我們足不出戶就可以訪遍全球，“地球村”變得名副其實。但是要注意的是，無論光通信的帶寬如何增加、信道如何拓展，信號的延遲依然會存在。這是由于光速雖然極快，但仍是一個有限的數(shù)值，如A地發(fā)出的信號依然要經(jīng)歷一段時間延遲才能夠到達B地，所以光通信中信號的延遲與通信速率是兩個完全不同的概念。例如，大家將家里的寬帶從10M升級為100M光纖，那么文件下載速度會明顯提升；但玩同一款網(wǎng)絡(luò)游戲、分別選擇國服（中國服務(wù)器）和美服（美國服務(wù)器）時，會發(fā)現(xiàn)美服的延遲比國服大很多，這是由于美服在大洋彼岸，距離太遠的緣故。

▲利用螺旋相位分布的軌道角動量光束拓展信道原理圖

       這種延遲一般情況下我們都不會在意，但在一些特殊場合卻顯得至關(guān)重要，一個典型的例子就是金融業(yè)的高頻交易領(lǐng)域。高頻交易使用計算機軟件算法進行自動操作，任何一點延時都會影響最終的結(jié)果。若是你能夠比競爭對手早一點獲取信息，那么在競爭中則會占據(jù)優(yōu)勢。歷史上一些投資人在芝加哥期貨市場和紐約證券交易所之間鋪設(shè)了一條1300千米的光纖線路，只是為了縮短3毫秒的延遲，獲取一點點交易上的優(yōu)勢。

       總之，光通信技術(shù)除了追求高速率之外，也在根據(jù)實際應(yīng)用場合發(fā)展成多種形態(tài)。相信未來光通信會為我們建立一個更加便捷、美麗的新世界。

撰文/看風景的蝸牛君

本文節(jié)選自《知識就是力量》雜志