自(zi)古(gu)以(yi)來(lai)，光(guang)就(jiu)理(li)所(suo)當(dang)然(ran)地(di)被(bei)視(shi)為(wei)這(zhe)個(ge)宇(yu)宙(zhou)最(zui)原(yuan)始(shi)的(de)事(shi)物(wu)之(zhi)一(yi)。實(shi)際(ji)上(shang)，它(ta)也(ye)是(shi)我(wo)們(men)一(yi)生(sheng)中(zhong)見(jian)得(de)最(zui)多(duo)的(de)東(dong)西(xi)，它(ta)在(zai)人(ren)們(men)的(de)心(xin)目(mu)中(zhong)，永(yong)遠(yuan)代(dai)表(biao)著(zhe)生(sheng)命(ming)、活力和希望。

 

然而，這備受人們崇敬的“光”，居然隻是“電磁波”王座下，一位普通的王子，這究竟是怎麼回事兒？下麵有請赫茲先生為我們解答。

 

電磁波存在
？赫茲做出了證明

 

什shen麼me是shi電dian磁ci波bo？它ta一yi種zhong虛xu無wu縹miao緲miao的de東dong西xi，看kan不bu見jian摸mo不bu著zhe，在zai赫he茲zi實shi驗yan之zhi前qian，誰shui也ye沒mei有you見jian過guo或huo驗yan證zheng過guo它ta的de存cun在zai。可ke是shi，赫he茲zi堅jian信xin它ta存cun在zai，因yin為wei它ta是shi麥mai克ke斯si韋wei（Maxwell）理論的一個預言。而麥克斯韋理論……哦
，它在數學上完美得簡直像一個奇跡！仿佛是上帝之手寫下的詩篇。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。

 

為了證明自己的想法，赫茲設計了一個實驗
，係統由一個發生器電路和一個接收器電路組成，其裝置圖如下：

 

 

赫茲的裝置圖

 

通過這個實驗，赫茲完美地證明了電磁波的存在，經典物理學的一個新高峰--電dian磁ci理li論lun被bei建jian立li起qi來lai。可ke以yi這zhe麼me說shuo，偉wei大da的de法fa拉la第di為wei它ta打da下xia了le地di基ji，偉wei大da的de麥mai克ke斯si韋wei建jian造zao了le它ta的de主zhu體ti，最zui後hou
，偉wei大da的de赫he茲zi為wei這zhe座zuo大da廈sha封feng了le頂ding。

 

電磁波是如此的強大，它的疆土從微波到X射線，從紫外線到紅外線，從γ射線到無線電波
，即使為世人所歌頌、崇拜數萬年的光（其實特指可見光），也隻不過是它統治下的一個小小的國度罷了。

 

電磁波頻譜（可見光不過是其中一小部分）

 

電磁波的兩個“親兒子”—微波技術和光纖通信技術

 

強(qiang)大(da)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)，在(zai)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)有(you)兩(liang)個(ge)親(qin)兒(er)子(zi)級(ji)別(bie)的(de)應(ying)用(yong)，即(ji)微(wei)波(bo)技(ji)術(shu)和(he)光(guang)纖(xian)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)。它(ta)們(men)貌(mao)合(he)神(shen)離(li)，都(dou)想(xiang)獨(du)自(zi)繼(ji)承(cheng)電(dian)磁(ci)波(bo)在(zai)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)的(de)疆(jiang)土(tu)，於(yu)是(shi)上(shang)演(yan)了(le)一(yi)場(chang)場(chang)精(jing)彩(cai)的(de)“奪嫡大戰”。

 

電磁波頻譜圖（藍色微波，綠色通信光波）

 

首先出場的是我們“四爺”微波
，微波是指，波長在毫米到米的電磁波（頻率為300Mhz~300Ghz）。由上圖可見
，微波的勢力範圍還是非常寬的，從毫米到米都是它的地盤。

 

“四爺”的de優you勢shi在zai於yu，可ke實shi現xian任ren何he方fang向xiang的de發fa射she，可ke重zhong構gou性xing較jiao好hao，易yi於yu實shi現xian無wu線xian網wang絡luo和he移yi動dong設she備bei的de互hu聯lian。但dan是shi它ta會hui受shou限xian於yu帶dai寬kuan
，而er且qie長chang距ju離li傳chuan輸shu高gao頻pin信xin號hao時shi損sun耗hao較jiao大da，微wei波bo信xin號hao會hui被bei大da氣qi吸xi收shou。

 

這就好比，如果把通信當作過年回家的旅程
，那麼微波就是本地一個快樂的“的哥“

，市內想開去哪裏就去哪裏
，自由散漫。但是請注意

，微波這個”的哥“也是有些問題的，他隻能在本市轉悠（距離近），小車裝不了幾個人（帶寬不大），滿嘴跑火車還不太靠譜（易受電磁幹擾）。

 

正所謂打虎親兄弟
，“四爺”微波可是有幾個兄弟支持的，按波長排名，它們分別是“大爺”長波、“二爺”中波和“三爺”短波，這四位爺合稱無線電波，在應用上
，最常見的就是我們聽的收音機電台。

 

無線電波用途分配表

 

前三位爺頻率比微波低、傳播損耗小
、覆蓋距離遠
、繞rao射she能neng力li也ye強qiang
，但dan是shi這zhe三san位wei不bu是shi嫡di係xi皇huang子zi，先xian天tian不bu足zu。換huan成cheng專zhuan業ye術shu語yu就jiu是shi
，低di頻pin段duan的de頻pin率lv資zi源yuan緊jin張zhang，係xi統tong容rong量liang有you限xian，因yin此ci低di頻pin段duan的de無wu線xian電dian波bo僅jin用yong於yu廣guang播bo、電視、尋呼等係統。基於此無線電波係的兄弟幾個裏
，大夥兒就讓四爺“微波”上場，去爭一爭這皇位。

 

無線電通訊之父 伽利爾摩·馬可尼（拜一拜祖師爺）

 

另一位出場的則是我們的“八爺”光纖通信
，它用的通信光波一般是指
，波長在近紅外區（800nm~1700nm）的電磁波。光纖通信的損耗較低
、帶寬大、速率高、抗電磁幹擾、且可實現波分複用。

 

我們還是把通信當作回家過年的旅程
，光纖通信就可以被看成一位火車司機。他開的火車不耗油，速度賊快（速率高），車上能坐好幾千人（帶寬大）

，也不會堵車（抗電磁幹擾）。最棒的是，如果有必要
，他還能在後麵再接幾節車廂跑（波分複用）。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矽的光導纖維。為什麼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，分別會在850nm
、1310nm和1550nm處有三個低損耗窗口，光纖通信就利用這三個低損耗窗口做文章
，賺得腦滿腸肥
，所謂跟“八爺”要發財就是這麼來的。

 

光纖的損耗特性圖

 

一個好漢三個幫
，“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裏的可見光、紫外線、X射線及γ射線。

 

為什麼光纖通信隻用不寬的近紅外波段（800~1700nm），而er不bu是shi把ba它ta們men都dou拿na來lai用yong呢ne
？一yi般ban來lai說shuo，通tong信xin用yong的de光guang波bo需xu要yao是shi單dan色se光guang
，因yin為wei單dan色se光guang的de譜pu線xian寬kuan度du窄zhai，長chang距ju離li傳chuan輸shu後hou色se散san較jiao小xiao，因yin而er單dan色se光guang能neng更geng高gao效xiao、更準確
、gengyuanjulidichuanshuxinxi。zhekeyilijiewei，nibaliliangjuyuyidiandachuqu，ziranshililiangda，dadeyuan。erzhongsuozhouzhi，kejianguangfenweihongchenghuanglvlandianzi，bushidanseguang，suoyitabunengyonglaitongxin。

 

太陽光頻譜圖

 

zaikanjinziwaiqu
，suiranzheshidanseguang，danshitanengliangtaida，huiheeryanghuaguifashenglamansanshe
，jiuhaobiniquantoutaidale，youshaguonameda，dachuqujiubeikazhule
，yebunengyonglaitongxin。X射線及γ射線能量比紫外線還大
，就更不能用了。

 

故而，我們隻能用低能量且單色的近紅外區的光，來進行通訊了。

 

 

好了
，兩位主角都介紹完了
，“奪嫡之戰”zhengshikaishi。weilehuodetongxunlingyudedahaojiangshan，weibowangziheguangxiantongxunwangzi

，daizhegezideyongdunmodaohuohuo
，shitujinxingyichanglongzhenghudou，pingenisiwohuo，juechuyigeshengzhedangzhelidewang。zheshikexuejiamenzuobuzhule
，fenfenchulai“勸架”。

 

科學家們開始給他們分析：你們一個短距離很好用
，但是長距離就不行
，就好比坐汽車，拉的東西少、速度慢，但是可以在城裏隨便跑（微波）；另一個長距離很穩定但是需要線路

，就好比火車，拉的東西多、速度快但是你得有鐵軌
，沒有鐵軌跑不了（光纖通信）。

 

不如你們取長補短，共坐江山。在傳輸信號的時候用光纖，又快又穩，等到了目的地城市
，就用微波

，隨意去哪兒都可以。

 

這就好比春節你回家，先坐汽車到火車站（微波調製），然後坐火車到你們那個城市（光纖傳輸），最後再坐汽車到你家裏（微波解調），解決方式簡直完美。具體怎麼實現兩者的結合呢，這就是微波光子技術了。

 

 

典型的微波光子傳輸鏈路

 

微波光子技術：微波與光纖的取長補短

 

shangtushiyigejibendeweiboguangzichuanshulianlu。zhegeguochengzhuyaobaokuodianguangtiaozhi，guangxianchuanshuheguangdianjietiao。dianguangtiaozhizhuyaoshiliyongtiaozhiqijiangxiedaixinxideweiboxinhaojiazaidaoguangzaiboshang，shixianweiboxinhaodaoguangxinhaodezhuanhuan；光纖傳輸包含長距離和短距離傳輸
；光電解調實質上可以認為是電光調製的逆過程，即利用光電探測器將攜有信息的微波號從光載上解調下來。

 

微波光子技術就像人騎馬這個過程
，微波是這個人，光纖通信是那個馬。微波光子技術就是將微波（人）調製（騎）到通信光波（馬）上，經過光纖傳輸一段距離之後
，再解調（人下馬），最後提取微波信號（回家）。

 

 

通過微波光子技術，我們終於很好的把微波技術和光纖通信技術結合起來，取長補短實現了最優的通訊手段。

 

眾所周知，隨著互聯網的迅速發展；尤其是近幾年移動互聯網的衝擊
，人們對通信速率的要求越來越高。目前有線/無線通信網絡，數據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(zhi)間(jian)，其(qi)頻(pin)譜(pu)帶(dai)寬(kuan)非(fei)常(chang)有(you)限(xian)，頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)也(ye)日(ri)益(yi)緊(jin)缺(que)。而(er)近(jin)二(er)十(shi)年(nian)來(lai)，人(ren)們(men)對(dui)通(tong)信(xin)速(su)率(lv)的(de)需(xu)求(qiu)增(zeng)長(chang)極(ji)快(kuai)，無(wu)論(lun)是(shi)有(you)線(xian)通(tong)信(xin)還(hai)是(shi)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)，幾(ji)乎(hu)每(mei)五(wu)年(nian)都(dou)會(hui)增(zeng)長(chang)10倍左右
，因此超高速、大帶寬傳送網絡發展是必然趨勢。

 

高速通信的需求變化

 

超高速就好比
，坐高鐵肯定比坐火車爽；大帶寬就比如，家裏人多了自然是要換個大房子
，所以超高速
、大帶寬實際上反映了我們日益增長的物質文化需求。而微波光子學研究的課題

，就恰好解決了人們這個需求。

 

在生活中，微波光子學具體的應用有很多
，最早被大家所熟知的便是基於模擬調製的有線電視，此外還有無線通信網絡、雷達組網、深空探測
、電子對抗、 精密測繪、高速傳感網等等。

 

微波光子學應用

 

最終，電磁波的兩位親兒子--微波技術和光纖通信技術，達成了共識：一起登上王座
，勠力同心
，共同經營通訊領域這片“大好河山”，他們的新王國就叫微波光子學帝國。

 

出品：科普中國

 

製作：中國科學院半導體研究所 蘇濤

 

*監製：中國科學院計算機網絡信息中心 *

 

 

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