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... 在全球網絡建設如火如荼的今天，大到國家信息高速公路，小到光纖入戶，現代的信息科技已經和光通信技術到了難解難分的程度。設想一下，如果沒有光通信技術，我們將沒有辦法享受到上網看電影的樂趣，也享受不到3G、4G，以及5G移動通信帶來的各種便利。也就是說沒有光通信技術的發展，就沒有我們現在舒適、便利的網際網路生活。由此我們不禁要問，光通信技術是如何到來的？我國的光纖又有著怎樣的發展故事？ ... 說到通信技術，其實我國很早以前便有了利用烽火臺進行通信的方法。再到後來，還有了可以遠距離觀測的望遠鏡，航海時使用的旗語，以及馬路上使用的交通紅綠燈等工具，這些都被人們用來傳遞信號或者消息。 ... 但不論是烽火臺、望遠鏡，還是交通燈，它們都是光通信的不同形式，都可以利用大氣來傳播可見光，再由人眼來接收光，獲得其中表達的含義。也正因為如此，我們才會對它們如此地熟悉，可是這些並不是真正意義上的光通信，真正強大的光通信應該是光纖通信。在這裡，我們需要知道，光通信指的是一切利用光作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱；而光纖通信則是單純地依靠光纖來傳送信息的通信方式。 ... 今天，我們要說的主題便是光纖通信，但在此之前，我們先來聽聽光纖是怎麼被發現的。 1870年，英國物理學家廷德爾在實驗中觀察到，把光照射到盛水的容器內，從出水口向外倒水時，光線也沿著水流傳播，出現彎曲現象，這看起來好像不符合光只能直線傳播的定律。實際上，這時的光線仍然是沿直線傳播的，只不過在水流中出現了光反射現象，因而光是以折線的方式前進。 廷德爾觀察到這種的現象，直至1955年才得到實際應用。當時在英國倫敦英國學院工作的卡帕尼博士，發明了用極細的玻璃製成的光導纖維。每根細如髮絲的光導纖維是用兩種對光的折射率不同的玻璃製成，一種玻璃形成中央中心束線，另一種包在中心束線外面形成包層。由於兩種玻璃在光學性質上的差別，光線經一定角度從光導纖維的一端射入後，不會從纖維壁逸出，而是沿兩層玻璃的介面連續反射前進，從另一端射出。 因此，對於光纖，我們可以認為它是一種由玻璃或塑料製成的纖維，利用光在這些纖維中以全內反射原理傳輸的光傳導工具。光纖很細且容易折斷，一般封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至於斷裂。 最初，這種光導纖維只是應用在醫學上，用光纖束組成內窺鏡，可以觀察人體腸胃內的疾病，協助醫生及時做出確切的判斷，但這種光導纖維衰減損耗很大，只能傳送很短的距離，大約只有一米左右。 ... 光的損耗程度是用每千米多少分貝為單位來衡量的。直到20世紀60年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每千米1000分貝以上。這也就意味著無論如何，這個時期的光纖都不可能應用在通信方面。因此，當時有很多科學家和發明家認為用玻璃纖維通信希望渺茫，紛紛失去了信心，放棄了光纖通信的研究。 就在這種情況下，出生上海的高錕博士，通過在英國標準電信實驗室所作的大量研究的基礎上，對光波通信提出了一個大膽的設想。他認為，既然電可以沿著金屬導線傳輸，光也應該可以沿著導光的玻璃纖維傳輸。 1966年7月，高錕就光纖傳輸的前景發表了具有重大歷史意義的論文，論文分析了玻璃纖維損耗大的主要原因，大膽地預言，只要能設法降低玻璃纖維的雜質，就有可能使光纖的損耗從每千米1000分貝降低到每千米20分貝，從而有可能用在通信等方面。這篇論文使許多國家的科學家受到鼓舞，加強了為實現低損耗光纖而努力的信心。 到了1970年，世界上第一根低損耗的石英光纖被成功地研製出來，達到了每千米只有20分貝的傳輸損耗。隨著國外光纖的研究利用，我國也開始了低損耗光纖和光通信的研究工作。 對光纖通信研製來說，有了政策和單位的支持，只是萬里長征走了第一步。要知道，在當時我國比較落後的生產設備和工藝條件下，哪一個都是空白，都需要自力更生去解決、去突破、去攻關。不過，我國的科研人員並沒有氣餒，而是不斷地進行鑽研學習，最終在20世紀70年代中期成功研製出了低損耗光纖和室溫下可連續發光的半導體雷射器。 此外，我國還於1979年分別在北京和上海建成了市話光纜通信試驗系統，這比世界上第一次現場試驗只晚兩年多。這些成果成為中國光通信研究的良好開端，並使中國成為了當時少有的幾個擁有光纜通信系統試驗段的幾個國家之一。 ... 完成了材料和設備的研製並通過試驗驗證後，接下來就是實用光纖線路的架設了。1981年9月，我國決定在武漢建立一條光纜通信實用化系統，想要通過實際使用，完成商用試驗以定型推廣。 與研製過程中的試驗線路相比，這項工程最突出的困難有兩個：一是線路長，要求光纖必須大批量生產；二是在長距離傳輸中光纖可能面臨損壞，需要及時查找修復。畢竟，光纖無論是懸於空中，還是埋於地下，難免會發生意外出現斷裂。面對這些困難，我國的工程師們一次次不分晝夜地生產光纖、隨叫隨到地檢修線路。終於在1982年12月31號，中國光纖通信的第一個實用化系統按期全線開通，正式進入武漢市市話網，標誌著中國進入光纖數字化通信時代。 ... 隨著「武漢光纜通信工程」的成功完成，我國又先後完成了數十項由短及長的光纖通信架設工程。其中，1993年完成的北京到武漢再到廣州的「京漢廣工程」，全長3046公里，是當時我國也是世界上最長的架空光纜通信線路，這項工程跨越北京、湖北、湖南、廣東等6省市。它的開通，不僅有效緩解了京漢廣沿線的通信線路緊張狀況，也對疏通全國光纖通信線路起到了很好的調節作用。 如果我們用人體血液循環系統來做比喻，那麼「京漢廣工程」就相當於光纖通信線路的大動脈，要把光纖通信深入到每個城市和鄉村，實現光纖入戶，還需要建立數量龐大的分支動脈、小動脈和毛細血管網。 如此一來，單靠全國為數不多的幾家單位生產相關材料和設備顯然是不夠的，必須加強光纖和光電產品的產業化和規模化，進而使我國的光纖產業得到了鍛鍊和加強，最終成為世界光纖製造大國。 值得注意的是，在大力發展光纖產業的同時，我國光通信技術的研發工作也並沒有鬆懈，而是取得了很多突破性進展。 ... 2019年2月，我國科研人員首次實現1.06 Pbit/s超大容量單模多芯光纖光傳輸系統實驗，通俗一點來說，這項技術可以實現一根光纖上近300億人同時通話，它的成功標誌著我國在「超大容量、超長距離、超高速率」光通信系統研究領域邁向了新的臺階。 根據專家的介紹，這次實驗採用的傳輸介質是我國自主研製的一種單模19芯的特種光纖，相比此前單模7芯光纖，傳輸能力增強了很多，傳輸容量是目前商用單模光纖傳輸系統最大容量的10倍，可以在1秒之內傳輸約130塊1TB硬碟所存儲的數據。相比2017年實現的560Tb/s的光傳輸系統實驗，容量幾乎倍增，而在材料上，這次實驗採用的也是我國自主研發的矽基材料晶片。 ... 總的來說，光通信作為主要通信網，不論是網際網路，還是移動通信等信息，都需要通過基站收集後給光通信系統進行遠距離傳輸，隨著未來數據通信的爆炸式增長，現有基礎網絡壓力將越來越大，因此這次實驗的突破為我國光通信的發展緩解了數據傳輸壓力，為5G時代的到來做了充分的準備。 本文來自：中國數字科技館 #一根光纖近300億人同時通話# ...
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