第1节

用光发送信号

在过去70年中，英国最大的土方工程项目不是修建通往法国的英吉利海峡隧道，而是在全国街道上铺设光纤。光纤通信已经彻底改变了我们的生活与休闲方式，它能为家庭提供数百个电视频道，让我们可以访问全球各地的互联网和网站，并且实现了可视链接和远程办公。它并没有提高电视节目的质量，但它确实带来了一场生活方式的革命。这些设想背后的科学理论早已确立，尽管许多领先的通信行业曾普遍认为用光纤进行远程通信是不现实的，但如今这些设想都已变成了现实。

能否克服技术上的困难，这在很大程度上取决于我们如何理解玻璃中杂质和缺陷的作用，以及如何设计光源和探测器，从而使光信号携带信息。人们之所以认为光纤无法应用于通信，其原因主要与光纤的历史背景和科学有关，同时我也必须强调，光纤通信之所以能够成功，是因为极少数人的专注研究，再加上恰逢医疗和激光发展的好时机。这些看上去互不相关的因素结合在一起，才使光纤行业获得了发展的机遇。我非常欣赏杰夫·赫克特（Jeff Hecht）1999年出版的《光之城》（City of Light）一书中有关科学进步与相关人物魅力的精彩评论。

发送远距离光信号并非创新想法。在过去几千年的历史中，许多国家都曾使用过这种方法。入侵英国的罗马人会在铺设道路时点燃烽火，在远处就能看到要在哪里修建一条笔直的道路。后来的英国人似乎忽视了这种特殊的信息传输技能，直到一千年后才在铁路和高速公路建设中再次运用。在古代中国和罗马，以及后来的文明中，人们都会点燃高处的烽火来发送入侵者攻击的信号，例如，英国建造了一连串烽火台，用以警告西班牙无敌舰队的逼近。

通过控制烟雾喷射量来传递信号，以及通过日光反射信号器反射太阳光来传递信号，都可以将信息发送出去。在梵蒂冈的选举中，仍会用彩色烟雾来传递选举的进展情况。光信号传输方法能够传递更大量的信息，它通过间断的脉冲进行编码，这正是现代二进制数字信号传输方法，数字信号只有0和1两种。它是现代光纤数据传输的理想选择。虽然概念可能是相同的，但使用日光反射信号器时，脉冲频率为每分钟几次，使用光纤时，脉冲频率提高至每秒10亿次以上。对光纤进行的部分改进在于，可以用多种不同颜色的光发送信号，因此波长选择性编码意味着在一根光纤上可以有100个不同色彩编码的通道，从而使信号容量进一步增加。表7.1展示了历史上的信号传输案例。

表7.1 历史上的信号传输案例

续表

在拐角处弯曲的光

在美国的平原上可以看到远在印度的烟雾信号，通过日光反射信号器反射太阳光也可以在数英里内被别人看到，但它们有一个缺点，那就是依赖直线视野（而且只能在天气晴朗的白天进行）。为了对其进行改进，并使光学传输达到通过电线传输电信号的便利性，需要三个基本组件。一是定向强脉冲光源，二是引导光线绕过拐角的系统，三是灵敏的探测器。光纤两端都需要用信号处理设备对信息进行编码和解码。这些都是巨大的挑战。但很显然，我们成功了，因为每天都有数十亿条信息和照片通过光纤传输。只有具备上述所有条件，从信号编码到解码的速度才能提高。

如前文所述，如果入射光与玻璃表面接近平行，光会在玻璃片内弹跳，从而形成光波导。在钓鱼或在水下游泳时，我们都能看到这种表面反射。能将光线限制在光波导管中的临界角由光波导管和相邻介质的折射率决定。表7.2提供了一些常见介质的折射率。

表7.2 一些常见介质的折射率

当光以一定的角度射向玻璃表面时，会因其速度的变化而改变方向。学校教科书中用斯涅尔定律（Snell’s law）来解释这一现象，即n1/n2=sinθ2/sinθ1（即nsinθ是一个常数），如图7.1所示。

图7.1 折射和全内反射

注：以光穿过水-空气界面为例。当光线的入射角为48.7°时，光线不会穿过水面进入空气，它被反射并困在水中。从一个极小的角度向水中看，也会出现类似的情况。这幅图可以描述光如何被限制在光波导管中。

我们假设空气的折射率非常接近1，如果讨论入射到棱镜或水面折射的光，我们往往只标记n=sin（入射角）/sin（折射角），但对于玻璃纤维和低折射率包层，我们需要用这两个指数来确定光在光纤中被限制和反射的临界角。

斯涅尔定律已经足以达成我们的目的，但要再进一步则需要用更加详细的麦克斯韦方程组进行计算。原理是相同的，但对光纤来说，折射率可能更接近于在光波导中的1.48和在包层中的1.46。此外，在导光层内，能够通过多次反射，使光沿着导光层弹跳的角度非常有限。这些成功条件称为波导模式，如图7.2所示。

图7.2 两个表面之间的光吸收模式

注：光可以在一块玻璃或光纤内弹跳。如果与光的波长相比，光纤的纤芯较大，则有多个可行的弹跳角度，称为模，写为m=0、m=1、m=2等。此处为了显示效果而夸大了角度。对于通信光纤，高折射率纤芯往往非常小，因此实际上光只能以一种模式沿光纤直线传播。

裸露的光纤表面会出现污垢和划痕等问题，因此解决办法是使用折射率较低的另一种玻璃包裹。这在光纤系统中非常重要。听起来似乎只是一个平平无奇的想法，学校里的理科学生都可以在没读过现代文献的情况下想出这个解决办法。但事实上，即使是顶尖科学家也有不完美之处，他们并未及早发现这个问题，也没有想到加保护性玻璃覆层这一简单的解决方案，这不仅阻碍了光纤的发展，还意味着一些主要的工业实验室放弃了这项研究。

喷泉中的光陷阱

为了证明在将光限制在材料中并不是一个新想法，我们可以列举许多早期的例子。事实上，在19世纪40年代初，丹尼尔·柯拉登（Daniel Colladon）和雅克·巴比内特（Jacques Babinet）在法国使用同样的方法来限制光线。柯拉登用一束阳光照射水柱，水柱从水龙头里沿曲线流出然后向下流向地板，而巴比内特则使用了一根玻璃棒，并且这根玻璃棒可以弯曲以引导光线拐弯。几年后，他们在喷泉下用强光源进行了第一次公开演示。他们在法国和1851年英国伦敦第一届世界博览会上都进行过演示。光线发生了弯曲，它被困在喷泉的水柱中。当水流破裂时，光线得以逃逸，人们才能看到它。

这个设想有很多种演示方法，我曾设计过一个现代版的方案，在一个装有葡萄酒的容器中装入一根发光二极管（LED）。在有些国家，餐厅服务员会从一定距离之外将葡萄酒倒入杯中，葡萄酒液体会沿弧线倒入玻璃杯。在我的装置中，光被困在酒柱中，然后随着液体破碎而逃逸，并射向玻璃杯壁，产生相应的闪烁。光的颜色取决于发光二极管，我选择了葡萄酒不会吸收的光。

如果采用玻璃棒，可以清晰演示光波导的作用，因为在玻璃棒末端施加一个小光源，光将从另一端射出，如果玻璃棒弯曲，光信号也会转弯，因此我们也可以对葡萄酒装置进行改造，用一个绿色激光指示器从一杯红酒的下面进行照射。葡萄酒会吸收绿光，因此从酒杯上方垂直向下看时，完全看不见绿光，但困在酒杯中的光会沿着酒杯的曲线和光波导向边缘传播。玻璃边缘发出一束明亮的绿光。本示例的另一个版本是派对玩具，它是一种位于玻璃底部的发光器，当玻璃被抬高时发光。这些小例子只是表明，光波导是一个非常好理解的概念，在最初的一百年里，这种用途主要局限于类似的玩具和派对把戏。

较短的玻璃棒和玻璃纤维的用途

我们现在制造的光纤长达几十千米或几百千米，但仅仅在50年前，我们还只能制造长度为几米的光纤。从技术上讲，即使是中等长度的光纤，其制造难度也很大。如果那些又短又薄且具有柔韧性的玻璃棒毫无用武之地，人们对光纤系统的热情很快就会消失殆尽。幸运的是，医学界在这方面给予了巨大的鼓励，因为医生不仅希望检查患者身体表层的状况，也希望检查其内部器官。在医生首次尝试窥视脏器（如胃）内部时，采用的是类似于吞剑的方式，通过口腔将一根管子和光源插入患者体内。使用直径较大的硬管来获取内部图像，往往会造成灾难性的后果，许多患者在这个过程中受伤或死亡。因此死亡的病患比吞剑者还要多。令人惊讶的是，医生们一直没有放弃，因为在那个年代，即使这种方法存在明显的医疗问题，医生们也找不出其他外科方法帮助他们进行诊断。

人们需要一种直径小且能弯曲的内窥镜，许多研究者投入相关研究，试图攻克这个难题，既尝试用更加柔韧的管子和一系列透镜来传输图像，也使用玻璃纤维束。加上这些器材以后，透镜系统变得非常笨重，且直径大得惊人。在一根管子中使用直径半英寸（1英寸=2.54厘米）的玻璃透镜系统来检查前列腺问题，这光景听起来比病情更糟糕。玻璃纤维束更加柔韧，直径稍小。如果纤维可以光学分离，那么每根纤维只从一个观察点发送信号。比如说，50根纤维可以提供50个点的图像，与现代几百万像素的相机相比，这样的成像效果极其糟糕，但它的确在硬管和透镜方面做出了改进。

先驱们意识到，他们不仅需要非常透明的玻璃来传输光，还需要添加包层材料，将光限制在纤维内，并且避免玻璃纤维/玻璃棒相互碰触时出现光泄漏。如果人们用手触摸过玻璃，光损耗会非常严重，因为手指上的油脂会导致玻璃表面发生散射，并形成去耦点。最初，人们发现，在玻璃表面涂一层金属似乎是一个限制光线的好方法，但随着光线多次弹跳，即使从胃部反射回玻璃棒中，大部分光线也会损耗，金属镜面在每次反射时都会损耗15%的信号。对只有10次反射的短纤维来说，光的强度会降低80%以上（只剩下20%）。

后来人们开始尝试使用塑料外层而不是金属镜面。这些塑料涂层比金属的吸收率低，但其结合的牢固度较低，且一些废弃物会滞留在玻璃与塑料的交界面上，导致信号大量散射和损失。第一次真正的成功是使用非常干净且经过打磨和火焰抛光的玻璃棒。将其插入同样干净且经过打磨的低折射率玻璃管中。对这一套装置进行加热、软化，然后将其拉成一根玻璃棒，最后得到一段半柔性的“纤维”，它可以将光线限制在玻璃内芯中。将许多光纤的一端对齐，固定成一个光纤束，以此来传输图像信息。这些设备非常受欢迎，因此形成了一个巨大的医疗市场，使人们对光纤的热情始终不减。

医学界和公众所使用的语言并非全然相同。使用光纤来检查身体内部不需要手术，因此这个过程被委婉地描述为“非侵入式”。但经历过这种检查的朋友则用截然不同的词（这里不便引用）来描述。非侵入式检查也经常会引发感染，这可能是因为纤维系统很难进行彻底消毒。

一端错位的光纤束

要使光纤束的一端完全对齐并不容易，如果光纤被打乱，图像信息就会丢失。这个现象引起了美国政府的注意，他们投入大量资金，以制作一种扰码光纤束，它可以分成两部分。他们希望制作一个安全编码系统，通过扰码记录（拍摄）文件，但图像只能由一个人通过与发送端一致的解扰序列才能解码。可惜这项安全应用并未实现，但这对光纤发展来说是一件幸事，一段时间以后，人们才意识到，即使在20世纪50年代，不变的扰码也很容易被破解。

一端对齐的短光纤也能用于非常敏感的光子成像管的面板，因为光纤可以将图像分割成一系列点（即像素），像素化的图像信号可以与将光信号转换为放大电流的探测器兼容（如光子成像管）。

致密光纤束编码虽然不适用于国家机密，但在个人安全编码设备方面，它的市场仍然具有相当大的潜力。人们很容易就能想到汽车、房屋或类似的简单安全系统中的数字编码点火装置。