光与技术 2：由电到光的通信之路

在上一篇文章中，我们说到了电报的发明（1837年发明），也就是实现了目之所及的通信到真正长距离通信的转变。电报，把人们想要传递的信息以每秒30万公里的速度传向远方。被认为是人类无线通信的开端。

但久而久之，人们又有点不满足了。因为发一份电报，需要先拟好电报稿，然后再译成电码，交报务员发送出去；对方报务员收到报文后，得先把电码译成文字，然后投送给收报人。这不仅手续繁多，而且不能及时地进行双向信息交流；要得到对方的回电，还需要等较长的时间。

因为人们对电报种种弊端的不满，使得科学家去探索其他的通信技术。而接下来我们将说到的电话（1876年发明）在当时有效的解决了这些问题，这也被认为是人类有线通信的开端。

当然，不知道在座的各位是否见到过有线电话，90/00后接触的基本上都是移动智能手机。在这里，电话的通信原理首先是将声信号转换成电信号后经线路传输到交换机，再由交换机经线路将电信号直接传至另一台话机上接听，这一通话过程传输的线路就是我们的电缆。即：语音-->电流（电话线）-->语音。

早期这里的传输介质电话线都是电缆，电流信号模仿我们说话的声音，随着声音的变化而连续变化，以交流信号的形式在电缆中传输。在电话发明之后的百年时间，都是以电信号的传输为主导的。

但是电缆的信号的传输存在较大的问题：

电阻问题： 在传输交流信号中，随着频率的增加，由于趋肤效应和介质损耗，特别是趋肤效应导致信号能量集中在导体表面，有效截面积大大减小，同轴电缆中信号的衰减将成倍增长。发明电话之前，其实大西洋的第一条海底电缆就已敷设好了，但是是用来传送频率很低的电报的，所以传输距离还能够用。若用来传输电话的电流信息，由于频率较高，损耗很大。

容量问题： 最初电话的一对线路只能通一路电话，一个人占了线，别的人只好等着，不然相互干扰，谁也听不清楚。虽然后面使用了载波通信技术，可以携带几十上百路电话信号，而随着用户的增加，这也远远不够。

成本问题 ：大家可能有所不知，100千米长的电缆，需要消耗几十吨的铜和铅。在这样昂贵的线路上，如果每一对电缆线只通几十上百路电话，将非常浪费。这也能理解为什么几十年前有线电话安装费和通讯费如此昂贵。

安全问题： 由法拉第提出的电磁感应定律知道，电缆中传输的是电信号，就会产生磁场，是不是通过分析磁场，逆向得出网络里传输的数据？这个问题在发展出抗干扰能力和防数据泄露更好的屏蔽双绞线之前，可能比较严重。

为什么网线要双绞，而光纤不需要？#光纤通信#网线 来源于网络，觉得讲解蛮不错的，分享给大家。

分享一个故事： 据说早些年成都飞机工业集团（成飞）的内网是通过网线传输（非屏蔽双绞线），丑国人开车在成飞外面绕了两圈，利用电磁原理，就窃取了我国新一代歼击机的所有图纸、性能材料（此案例不知真假，请自行判断）。

因此，既然电信号的通信方式有这些不足，人们就想方设法去解决。这也就是通信中一直以来的需求推动：

怎样传的更远，怎样传的更多，怎样更安全的传输信息。

而最容易想到的是找一种更好的媒介来代替电缆。而利用光来进行数据传输一直是人们追求的。

这里就不得不提一下贝尔的光电话（1880年发明），可以说这是现代光通信的鼻祖，但与上面需要解决的三个问题关系不大。

光电话利用太阳光作光源，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。然后以大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，对接收端收到调制后的光信号，进行解调制，还原成原始信号。但是，这远远不够，传输距离只有213米。如果在下雨天可能更差。

因此，使用太阳光作为光源和空气作为传输介质的通信方式并不靠谱。

不过先行者们至少知道了问题所在，并由此去寻求解决之道：

一个是要有更好精度更高的光源，1960年美国的梅曼发明了第一个红宝石激光器，初步解决了光模块中光源的问题；二个是寻找传输性能更好的媒介，华裔科学家高锟提出光纤作为传输介质，到1970年美国康宁拉出了第一根衰减为20dB/km的低损耗石英光纤，初步解决了介质问题。

以上技术的突破，也表明了光纤通信时代的到来，并从此开始迅猛发展。

光通信系统与光网络的区别及联系

往期发布的文章中，笔者分享了不少涉及光通信系统和光网络的文章，最近有部分读者（尤其是一些正准备进行相关研究的科研工作者）跟笔者交流：光通信系统与光网络有什么区别？二者有什么联系？

说实话，二者虽然不同但区别不大（内涵差不多，外延区别有点大），为和大家开展有益交流，本期就来阐述一下。

首先，讲一句题外话，物理先辈们曾告诉我们，光有波粒二象性，那么光通信系统和光网络中承载的光子信息体现出来的特性也有二象性（如下图所示），所以光通信系统与光网络都值得我们去搞清楚~

图1. 光的波粒二象性

在谈该问题之前，我们先来了解一下什么是光通信系统，什么是光网络；二者不说明，确实容易混淆。

光通信系统是采用光波高速传输信息的系统；通常由电信号端机（含收发模块），光信号端机（含收发模块），光传输信道（大多数情况下用各类光纤、少数情况下用室内外大气或外层自由空间信道）等组成（实验室中的光通信系统如下图所示）。

图2 实验室中的光通信系统

光网络是采用光波高速处理信息的网络，并采用更多的光电子器件、设备及应用更多的控制方式实现多节点、多系统中高速信息的传输、宽带信息的交换和多类信息的灵活接入（往往采用跟光通信系统同样的光传输信道，常用的电信级光网络如下图所示）。

图3 常用的电信级光网络

依据上文，大家不难看出两者的共性：1、都采用物理光波，具备高速特性；2、都采用必备的光电子器件、线材及设备，广义上具备光、电信号的融合性；3、都采用光传输信道（大多数情况下用各类光纤，如下图所示），具备信道的同质性和复用性。

图4 常见的各类光纤信道

同样依据上面的简述，我们也会产生这样的疑惑：1、从应用范畴上来讲，光网络是否涵盖光通信系统？2、从二者的应用模式来看，光通信系统似乎更聚焦于实现光信息的高速传输，光网络则同时聚焦于实现高速信息的传输、宽带信息的交换和多类信息的灵活接入？3、光网络似乎要解决的技术问题更多？

而上述问题，恰恰体现了二者的区别和联系；笔者逐一跟大家交流。

首先，光通信系统一般涉及两个节点（一个信源+一个信宿）间的光信息传递，在信源和信宿间有调制器（发送机）、信道（各类光纤或自由空间信道）、解调器（接收机）；其研究或应用一般限于物理层（最多至数据链路层）。光网络则涉及用户端机或路由器的节点间（这里的节点包含边缘节点（一般靠近用户端机侧）和网络中的核心节点（含入口、出口和中间路由器））的信息传递，其中边缘节点起到信息收发作用，核心节点起到信息路由交换作用；通常物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层都需要考虑，要解决信道共享、资源分配、路由选择、流量工程、差错控制、QoS等等一系列技术问题。所以，狭义上而言，光网络是涵盖光通信系统的。

其次，光通信系统实现光信息从一个信源到一个信宿的高速传输，也就是说实现的是“单点到单点“的传输，必然导致其研究或应用主要是面向传输机制的（但并不是说不需要交换机制和接入机制，只是说传输机制是主导性机制）；而光网络实现光信息从多个信源到多个信宿的高速传输，也就是说实现的是”多点到多点“的传输，而因为涉及的收发节点多，且接入的业务类型也杂，所以必然导致其研究或应用是兼顾高速信息传输、宽带信息交换和多类信息灵活接入三大主题。

最后要说的是，因为光网络在一般情形下会面向多个节点实现光信息的高速传输、宽带交换和灵活接入，所以要解决的技术问题常常更多；在如下特殊情形下，例如某个光网络的通信容量还不如某个光通信系统的大，或者某个光网络的通信速率还不如某个光通信系统的高，那么光通信系统就要解决更多传输领域的技术问题（此时交换问题和接入问题就显得不那么重要了）。

综上所述，虽然搞清楚光通信系统和光网络的区别和联系有一定意义，但笔者还是建议不要将二者孤立化，还是需要有机统一起来，毕竟无论是光通信系统还是光网络，它们在广义上都是统一的，二者存在之目的都是为了满足人类在广域网、城域网和接入网多类业务的通信需求，二者发展之目标都是为了更高速率的信息传输、更大容量的信息交换和更灵活的宽带接入得以实现。

以上内容供大家比较学习和进行研究工作时参考，本来还有许多要讲的，例如“光通信系统或光网络发展的终极目标是什么“等，留待以后有机会再与大家分享所思所得，读者也完全可以自己查阅文献，兼虑时间有限，谢谢大家理解，今后继续….

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