【導(dǎo)讀】強(qiáng)大的電磁波，在通信領(lǐng)域有兩個(gè)親兒子級(jí)別的應(yīng)用，即微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)。它們貌合神離，都想獨(dú)自繼承電磁波在通信領(lǐng)域的疆土，于是上演了一場(chǎng)場(chǎng)精彩的“奪嫡大戰(zhàn)”。
自古以來(lái)，光就理所當(dāng)然地被視為這個(gè)宇宙最原始的事物之一。實(shí)際上，它也是我們一生中見(jiàn)得最多的東西，它在人們的心目中，永遠(yuǎn)代表著生命、活力和希望。
然而，這備受人們崇敬的“光”，居然只是“電磁波”王座下，一位普通的王子，這究竟是怎么回事兒？下面有請(qǐng)赫茲先生為我們解答。
電磁波存在？赫茲做出了證明
什么是電磁波？它一種虛無(wú)縹緲的東西，看不見(jiàn)摸不著，在赫茲實(shí)驗(yàn)之前，誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)或驗(yàn)證過(guò)它的存在?？墒?，赫茲堅(jiān)信它存在，因?yàn)樗躯溈怂鬼f（Maxwell）理論的一個(gè)預(yù)言。而麥克斯韋理論……哦，它在數(shù)學(xué)上完美得簡(jiǎn)直像一個(gè)奇跡！仿佛是上帝之手寫(xiě)下的詩(shī)篇。這樣的理論，很難想象它是錯(cuò)誤的。
為了證明自己的想法，赫茲設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)生器電路和一個(gè)接收器電路組成，其裝置圖如下：
赫茲的裝置圖
通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，赫茲完美地證明了電磁波的存在，經(jīng)典物理學(xué)的一個(gè)新高峰--電磁理論被建立起來(lái)?？梢赃@么說(shuō)，偉大的法拉第為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，最后，偉大的赫茲為這座大廈封了頂。
電磁波是如此的強(qiáng)大，它的疆土從微波到X射線(xiàn)，從紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)，從γ射線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)電波，即使為世人所歌頌、崇拜數(shù)萬(wàn)年的光（其實(shí)特指可見(jiàn)光），也只不過(guò)是它統(tǒng)治下的一個(gè)小小的國(guó)度罷了。
電磁波頻譜（可見(jiàn)光不過(guò)是其中一小部分）
電磁波的兩個(gè)“親兒子”—微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)
強(qiáng)大的電磁波，在通信領(lǐng)域有兩個(gè)親兒子級(jí)別的應(yīng)用，即微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)。它們貌合神離，都想獨(dú)自繼承電磁波在通信領(lǐng)域的疆土，于是上演了一場(chǎng)場(chǎng)精彩的“奪嫡大戰(zhàn)”。
電磁波頻譜圖（藍(lán)色微波，綠色通信光波）
首先出場(chǎng)的是我們“四爺”微波，微波是指，波長(zhǎng)在毫米到米的電磁波（頻率為300Mhz~300Ghz）。由上圖可見(jiàn)，微波的勢(shì)力范圍還是非常寬的，從毫米到米都是它的地盤(pán)。
“四爺”的優(yōu)勢(shì)在于，可實(shí)現(xiàn)任何方向的發(fā)射，可重構(gòu)性較好，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備的互聯(lián)。但是它會(huì)受限于帶寬，而且長(zhǎng)距離傳輸高頻信號(hào)時(shí)損耗較大，微波信號(hào)會(huì)被大氣吸收。
這就好比，如果把通信當(dāng)作過(guò)年回家的旅程，那么微波就是本地一個(gè)快樂(lè)的“的哥“，市內(nèi)想開(kāi)去哪里就去哪里，自由散漫。但是請(qǐng)注意，微波這個(gè)”的哥“也是有些問(wèn)題的，他只能在本市轉(zhuǎn)悠（距離近），小車(chē)裝不了幾個(gè)人（帶寬不大），滿(mǎn)嘴跑火車(chē)還不太靠譜（易受電磁干擾）。
正所謂打虎親兄弟，“四爺”微波可是有幾個(gè)兄弟支持的，按波長(zhǎng)排名，它們分別是“大爺”長(zhǎng)波、“二爺”中波和“三爺”短波，這四位爺合稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電波，在應(yīng)用上，最常見(jiàn)的就是我們聽(tīng)的收音機(jī)電臺(tái)。
無(wú)線(xiàn)電波用途分配表
前三位爺頻率比微波低、傳播損耗小、覆蓋距離遠(yuǎn)、繞射能力也強(qiáng)，但是這三位不是嫡系皇子，先天不足。換成專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)就是，低頻段的頻率資源緊張，系統(tǒng)容量有限，因此低頻段的無(wú)線(xiàn)電波僅用于廣播、電視、尋呼等系統(tǒng)?；诖藷o(wú)線(xiàn)電波系的兄弟幾個(gè)里，大伙兒就讓四爺“微波”上場(chǎng)，去爭(zhēng)一爭(zhēng)這皇位。
無(wú)線(xiàn)電通訊之父 伽利爾摩·馬可尼（拜一拜祖師爺）
另一位出場(chǎng)的則是我們的“八爺”光纖通信，它用的通信光波一般是指，波長(zhǎng)在近紅外區(qū)（800nm~1700nm）的電磁波。光纖通信的損耗較低、帶寬大、速率高、抗電磁干擾、且可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。
我們還是把通信當(dāng)作回家過(guò)年的旅程，光纖通信就可以被看成一位火車(chē)司機(jī)。他開(kāi)的火車(chē)不耗油，速度賊快（速率高），車(chē)上能坐好幾千人（帶寬大），也不會(huì)堵車(chē)（抗電磁干擾）。最棒的是，如果有必要，他還能在后面再接幾節(jié)車(chē)廂跑（波分復(fù)用）。但是，它必須沿著鐵軌（光纖）走，我們貌似不太可能給你家門(mén)口修一條鐵軌，所以要回家直接跟光纖通信先生走也不太合理。
通信光纖
而且光纖通信需要的軌道不是一般的東西，而是主要成分為二氧化硅的光導(dǎo)纖維。為什么它能夠做到低損耗呢？這就是我們“八爺“手段高了，光纖材料（石英）是有損耗譜的，分別會(huì)在850nm、1310nm和1550nm處有三個(gè)低損耗窗口，光纖通信就利用這三個(gè)低損耗窗口做文章，賺得腦滿(mǎn)腸肥，所謂跟“八爺”要發(fā)財(cái)就是這么來(lái)的。
光纖的損耗特性圖
一個(gè)好漢三個(gè)幫，“八爺”這位好漢身邊也是有很多幫手的，它們分別是光波陣營(yíng)里的可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)及γ射線(xiàn)。
為什么光纖通信只用不寬的近紅外波段（800~1700nm），而不是把它們都拿來(lái)用呢？一般來(lái)說(shuō)，通信用的光波需要是單色光，因?yàn)閱紊獾淖V線(xiàn)寬度窄，長(zhǎng)距離傳輸后色散較小，因而單色光能更高效、更準(zhǔn)確、更遠(yuǎn)距離地傳輸信息。這可以理解為，你把力量聚于一點(diǎn)打出去，自然是力量大，打得遠(yuǎn)。而眾所周知，可見(jiàn)光分為紅橙黃綠藍(lán)靛紫，不是單色光，所以它不能用來(lái)通信。
太陽(yáng)光頻譜圖
再看近紫外區(qū)，雖然這是單色光，但是它能量太大，會(huì)和二氧化硅發(fā)生拉曼散射，就好比你拳頭太大了，有砂鍋那么大，打出去就被卡住了，也不能用來(lái)通信。X射線(xiàn)及γ射線(xiàn)能量比紫外線(xiàn)還大，就更不能用了。
故而，我們只能用低能量且單色的近紅外區(qū)的光，來(lái)進(jìn)行通訊了。
好了，兩位主角都介紹完了，“奪嫡之戰(zhàn)”正式開(kāi)始。為了獲得通訊領(lǐng)域的大好江山，微波王子和光纖通訊王子，帶著各自的擁躉磨刀霍霍，試圖進(jìn)行一場(chǎng)龍爭(zhēng)虎斗，拼個(gè)你死我活，決出一個(gè)勝者當(dāng)這里的王。這時(shí)科學(xué)家們坐不住了，紛紛出來(lái)“勸架”。
科學(xué)家們開(kāi)始給他們分析：你們一個(gè)短距離很好用，但是長(zhǎng)距離就不行，就好比坐汽車(chē)，拉的東西少、速度慢，但是可以在城里隨便跑（微波）；另一個(gè)長(zhǎng)距離很穩(wěn)定但是需要線(xiàn)路，就好比火車(chē)，拉的東西多、速度快但是你得有鐵軌，沒(méi)有鐵軌跑不了（光纖通信）。
不如你們?nèi)￠L(zhǎng)補(bǔ)短，共坐江山。在傳輸信號(hào)的時(shí)候用光纖，又快又穩(wěn)，等到了目的地城市，就用微波，隨意去哪兒都可以。
這就好比春節(jié)你回家，先坐汽車(chē)到火車(chē)站（微波調(diào)制），然后坐火車(chē)到你們那個(gè)城市（光纖傳輸），最后再坐汽車(chē)到你家里（微波解調(diào)），解決方式簡(jiǎn)直完美。具體怎么實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合呢，這就是微波光子技術(shù)了。
典型的微波光子傳輸鏈路
微波光子技術(shù)：微波與光纖的取長(zhǎng)補(bǔ)短
上圖是一個(gè)基本的微波光子傳輸鏈路。這個(gè)過(guò)程主要包括電光調(diào)制，光纖傳輸和光電解調(diào)。電光調(diào)制主要是利用調(diào)制器將攜帶信息的微波信號(hào)加載到光載波上，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換；光纖傳輸包含長(zhǎng)距離和短距離傳輸；光電解調(diào)實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是電光調(diào)制的逆過(guò)程，即利用光電探測(cè)器將攜有信息的微波號(hào)從光載上解調(diào)下來(lái)。
微波光子技術(shù)就像人騎馬這個(gè)過(guò)程，微波是這個(gè)人，光纖通信是那個(gè)馬。微波光子技術(shù)就是將微波（人）調(diào)制（騎）到通信光波（馬）上，經(jīng)過(guò)光纖傳輸一段距離之后，再解調(diào)（人下馬），最后提取微波信號(hào)（回家）。
通過(guò)微波光子技術(shù)，我們終于很好的把微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的通訊手段。
眾所周知，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展；尤其是近幾年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的沖擊，人們對(duì)通信速率的要求越來(lái)越高。目前有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸主要使用的是低頻段的電磁波，即頻率在百兆赫茲（108HZ）到千兆赫茲（109HZ）之間，其頻譜帶寬非常有限，頻譜資源也日益緊缺。而近二十年來(lái)，人們對(duì)通信速率的需求增長(zhǎng)極快，無(wú)論是有線(xiàn)通信還是無(wú)線(xiàn)通信，幾乎每五年都會(huì)增長(zhǎng)10倍左右，因此超高速、大帶寬傳送網(wǎng)絡(luò)發(fā)展是必然趨勢(shì)。
高速通信的需求變化
超高速就好比，坐高鐵肯定比坐火車(chē)爽；大帶寬就比如，家里人多了自然是要換個(gè)大房子，所以超高速、大帶寬實(shí)際上反映了我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求。而微波光子學(xué)研究的課題，就恰好解決了人們這個(gè)需求。
在生活中，微波光子學(xué)具體的應(yīng)用有很多，最早被大家所熟知的便是基于模擬調(diào)制的有線(xiàn)電視，此外還有無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)組網(wǎng)、深空探測(cè)、電子對(duì)抗、 精密測(cè)繪、高速傳感網(wǎng)等等。
微波光子學(xué)應(yīng)用
最終，電磁波的兩位親兒子--微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)，達(dá)成了共識(shí)：一起登上王座，勠力同心，共同經(jīng)營(yíng)通訊領(lǐng)域這片“大好河山”，他們的新王國(guó)就叫微波光子學(xué)帝國(guó)。
出品：科普中國(guó)
制作：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 蘇濤
*監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 *
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