远距离光通信创造历史

地球首次成功接收到了远远超过月球距离的激光信息，这项成就将可能改变我们的太空通信方式。如果NASA能够从16百万公里之外接收信息，那你的爱人回消息的借口，也将无从讲起 。

这次远距离光通信的演示是前所未有的成就。通过装载在NASA的“心灵”号航天器上的深空光学通信（DSOC），成功使用近红外激光编码测试数据，将信息传输至距离加利福尼亚州帕洛马天文台1600万公里外的哈勒望远镜。

DSOC是一个为期两年的技术验证项目，它将伴随“心灵”号飞向戒备小行星。美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的管理表示，这次演示于11月14日首次展现“光芒”，要感谢一次极其精准的机动，使其激光收发器锁定JPL位于坦布尔山天文台的强大上行激光信标，这使得DSOC的收发器能够瞄准到距离100英里的加州理工学院天文台。

“首次展现光芒是未来几个月内DSOC的许多关键里程碑之一，为发送科学信息、高清图像和串流视频以支持人类下一个巨大飞跃：向火星送人类做好了准备。” NASA总部和技术展示项目主管特鲁迪·科特斯在一份声明中说。

光通信以前被用于从地球轨道发送信息，但这是迄今为止激光光束的最远距离。在激光光束中，光子以相同波长、相同方向传播。 通过将数据编码到这些光波的振荡中，可以实现以前所未有的速度传输大量数据的激光通信，编码携带着信息并通过红外（人类看不见的）光束传输至接收器。

NASA通常使用无线电波与月球以外的航天器通信，两者都是使用电磁波传输数据，但激光光束的优势在于可以将更多数据打包到更紧密的波中。 据NASA称，DSOC技术演示旨在展示数据传输速率比目前顶级无线电通信系统快10-100倍。

增加数据传输量将允许未来的任务携带更高分辨率的科学仪器，并允许在潜在的外太空任务中进行更快速的通信，例如——从火星表面实时直播视频。

“光通信对科学家和研究人员是一项福音，他们总是希望从它们的太空任务中得到更多，它将成为深空人类探索的媒介。” NASA空间通信与导航项目高级通信和导航技术分工部主任杰森·米切尔博士说。“更多数据意味着更多的发现。”

然而，还有一些挑战需要解决，因为光通信需要跨越的距离越远，就越困难，它需要将激光指向精准的方向。 此外，光子信号将变得若有若无，需要更长的时间到达目的地，最终造成通信的延迟。 ️

在11月14日的测试中，光子从小行星传到地球的时间大约为50秒。到小行星达到其最远的距离时，光子需要大约20分钟才能返回——这足够长，使得地球和宇宙飞船都已经移动，因此它们都需要调整激光的位置。

迄今为止，这次创纪录的技术演示非常成功。“这次测试是第一次完全整合地面资产和飞行收发器，需要DSOC和‘心灵’号操作团队协同工作。” JPL DSOC操作主管米拉·斯里尼瓦桑表示，“这是一个艰巨的挑战，我们还有很多工作要做，但在短时间内，我们能够传输、接收和解码一些数据。”

或者，正如JPL DSOC项目技术专家阿比·比斯瓦斯所说：“我们能够在太空与地球交换‘光子位’”。从太空与地球交换光位将是我们在太空探索中沟通的重大改变。

从微弱之光到光芒万丈！探秘光纤通信的前世今生

光纤通信历经数十年的发展，已迅速成长为现代通信体系中不可或缺的一环，并随着5G、云计算、物联网等新技术的发展展现出广阔的发展前景。

“光”的追溯

汉字中的“光”，是最为古老的汉字之一。在甲骨文中，其字形为人头顶有火，指火焰为人类带来了光明，这便是“光”最早被人们关注的形态了。

到了1841年，Daniel Colladon和Jacques Babinet两位科学家分别演示了光的全反射原理，他们做了一个简单的实验：在装满水的水桶上钻了一个孔，水流便慢慢从孔中流出，然后将光照入水流，发现光线沿着水流方向曲折传输。这一现象叫光的全内反射作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。

时间来到1880年，贝尔Alexander Graham Bell发明了“光话机”，一种在自然光线上传输语音的设备。值得一提的是光话机就是光纤通信系统的前身。

1887年，英国科学家Charles Vernon Boys在实验室里拉出了第一条光纤，为光纤通信的后续发展奠定了基础。

然而从实验到生产又经历了半个世纪。直到1938年，美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司才开始生产玻璃长纤维。但是，此时生产的光纤是裸纤，还没有包层。

1950年，光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念，这是光纤结构设计的重要一步。随后的几年里，玻璃薄层、塑料包层相继出现。

众所周知，光纤利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全内反射原理达成光传导。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

1960年代，电信工程师们正在寻找更多的传输带宽。无线电、微波的频率已不能满足增长中的电视、电话对带宽的要求，因此他们想找一种更高的频率来承载信号。

1960年，Theodore Maiman 向人们展示了第一台激光器。这燃起了人们对光通信的兴趣，激光被视为优质的通信方式，可以解决传输带宽问题，很多实验室开始了实验。这一时期，光纤通信的理论基础逐渐形成。

光纤通信时代的开启

光纤通信的发展是一段充满创新与技术突破的历程，它极大地推动了现代通信技术的发展。

光纤通信的真正诞生，可以追溯到20世纪60年代。当时，华裔科学家高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理 ，并描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。他仔细地计算出如何通过光学玻璃纤维实现远距离光传输，这一理论为光纤通信的发展奠定了基础。 文中还分析了造成光纤传输损耗的主要原因，从理论上阐述了有可能把损耗降低到20dB/km的见解。

正在做实验的高锟

在理论指引下，四年之后的1970年，美国康宁公司研制出了损耗为20dB/km的光纤，证明了光纤作为通信介质的可能性。

与此同时，美国贝尔实验室发明了使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光，凭借体积小的优势，大量运用于光纤通信系统中。

1972年，光纤的传输损耗降低至4dB/km。 这根光纤，不仅衰减更低，而且实用性更强，制造过程更为简单。

至此，光纤通信时代正式开启。

也是在这一年，我国也初步提出要发展“光纤通信”；次年，我国邮电部武汉邮电学院正式开始研究光纤通信。

1988年，完成一定科研累积并认识到光纤通信重要性的中国，开始了“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网的建设。1996年，首款SDH设备正式进入光传输网产业，意味着光纤通信在中国已不仅是一项政府主导的基础设施建设，而是一条生机盎然、可多元发展的市场赛道。

1996年，各种波长的激光器研制成功，可实现多波长多通道的光纤通信，即所谓“波分复用”(WDM)技术，也就是在1根光纤内，传输多个不同波长的光信号。于是光纤通信的传输容量倍增。

21世纪以来，随着通信系统设备的不断突破，互联网时代的蝶变，光纤通信技术也得到了进一步发展。

当前，随着5G移动通信、云计算、物联网以及人工智能等前沿技术的蓬勃发展，推动了光纤通信的传输速度、带宽和传输距离等性能指标不断提升，其重要性逐步凸显。同时，光纤的种类也在不断丰富，包括单模光纤、多模光纤、塑料光纤等，以满足不同应用场景的需求。

目前，我国正在加快构建高速光纤通信网络，实现全国光通信网和光地理信息系统的一体化。未来，光纤通信将持续演进，向着更高的传输速率、更广的覆盖范围和更强的网络灵活性发展，以适应不断变化的技术和时代需求。

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