加大帶寬就能提高網速嗎？光纖通信的發展前景在哪？
撰文/看風景的蝸牛君
本文節選自《知識就是力量》雜誌
說起「光纖通信」，相信大家並不陌生。畢竟對於活躍在互聯網時代的我們來說，「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，可能很難想像十年之前看低清晰度視頻都會有卡頓的情景。因為那時的「寬頻」還依賴於電話線，通過一種名為「ADSL」的技術實現，因此網速很有限。
「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。光纖通信速率高於電纜通信的真正原因是光的頻率更高，因此能夠載入的信息量更大，也就是我們常說的帶寬更大。
舉個不那麼恰當的例子，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。
▲車速相同時，小汽車與大貨車單位時間內的運貨量不可同日而語。電纜通信與光纖通信的比較也是同理
雖然理論上通信使用的光頻率越高、波長越短，信息載入的容量就會越高，但是現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。這是科學家綜合考慮光波長、光纖損耗、光源穩定性、綜合成本等諸多因素後做出的選擇。比如，目前用於光通信的光纖對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，製成光纖信號放大器，實現信號的遠距離傳輸。
隨著互聯網的蓬勃發展，人們對通信速率的要求越來越高，因此科學家也對光纖通信技術進行了多次革新。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，比較典型的技術之一就是「波分復用」技術。波分復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，因此在波分復用的基礎上，信道數量又可以擴展兩倍。
近年來，科學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螺旋型的相位結構。我們可以用「拓撲荷值」（一般用Ⅰ表示）來表述相位旋轉的快慢，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。由於拓撲荷值可以取任意的整數值，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域的研究熱點。
▲利用螺旋相位分布的軌道角動量光束拓展信道原理圖
經歷了幾十年的發展，光纖通信技術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。這是由於光速雖然極快，但仍是一個有限的數值，如A地發出的信號依然要經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，大家將家裡的寬頻從10M升級為100M光纖，那麼文件下載速度會明顯提升；但玩同一款網路遊戲、分別選擇國服（中國伺服器）和美服（美國伺服器）時，會發現美服的延遲比國服大很多，這是由於美服在大洋彼岸，距離太遠的緣故。
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重要，一個典型的例子就是金融業的高頻交易領域。高頻交易使用計算機軟體演算法進行自動操作，任何一點延時都會影響最終的結果。若是你能夠比競爭對手早一點獲取信息，那麼在競爭中則會佔據優勢。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勢。
總之，光通信技術除了追求高速率之外，也在根據實際應用場合發展成多種形態。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。
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