來美國早的人，可能還記得八十年代Sprint長途電話公司的廣告：一根針落在地上的聲音，在電話另一端聽得清清楚楚。這樣高的音質，是因為他們用了光纖網絡。其實，Sprint的通話質量並不比競爭者好。但用“光纖”這個先進技術作賣點，還是很有效果的。二十多年後的今天，光纖已經無所不在了。我們每天看見，聽見的信息，都在光纖中傳送過。就像電線，水管等一樣，我們在享受其服務的同時，已經對它本身視而不見了。

2009年物理諾貝爾獎由“光纖之父”高琨分享一半，又把光纖帶入了人們的視界。關於這一年的得獎工作，有一篇很好的介紹：http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2009.php 這裡就不重複了。本文將簡單介紹一下光纖的歷史和現代光纖通信中的幾個關鍵技術。

光纖的基本原理是我們都熟悉的全反射。當光在玻璃內傳播時，在一定條件下會被玻璃的表面來回反射而不漏到外面去。這樣光就會沿着玻璃傳到另一端。這個原理在十九世紀人們就知道了，也用玻璃纖維來傳送影像和數據。但是現代光纖的出現，還依賴於三個重大科學成果。

首先，現代光纖並不是簡單的全反射“光管”。它更像微波上用的波導管：電磁場在邊界的約束下以一定的模式振動和傳播。光纖有兩層材料：最裡面的芯管和外面的覆層。兩者的界面，就是上面說的“反射層”了。但實際上光並不是限於在芯管中傳播，而是被芯管“引導”着，在兩種介質中同時傳播。這個理論在一九六一年提出，指導了光纖結構設計的方向。事實上，今天除了極短距離外，所有光纖都是“單模”式的，也就是只有一種電磁振動模式能夠在其中傳播。這種光纖的芯管只有幾個微米直徑，是光的波長的幾倍。所以光在其中的傳播不能用“反射”這樣的幾何光學語言來描寫。【注一】

第二，就是高琨提出的光衰減的來源。高琨在一九六六年指出，光纖中的光損失主要是由於雜質。如果能製造純度極高的玻璃，光的損失就可以從當時的二十米損失99%減少到1000米損失99%。而今天的光纖，是一百公里損失99%。光損失的減小，排除了光纖走向實用的障礙。

第三個科學成果，就是激光的發明和應用。1975年，第一個商用的，可以在室溫下連續發光的半導體激光器問世。兩年後（1977年），在芝加哥就建成了第一個實驗光纖迴路。同年，AT&T在芝加哥正式使用光纖傳送電話信號。

與銅線相比，光纖在長距離傳送方面是理想得多的載體。一方面，它的頻寬非常寬，也就是傳送數據的速度非常高。一條光纖能抵成千上萬條銅線。另一方面，它的損耗很低，也就不需要途中有很多放大站。這在海底電纜上特別有好處。但是，這些放大站卻比銅線中的要麻煩得多。放大光信號，需要先把光信號轉變為電信號並取出其中的數據，再重新調製到光波上去。到了1990年代，光放大器開始廣泛應用。光放大器可以直接增強光的強度，而不用轉化成電子信號。但是，經過長距離傳輸後光信號的波形會有畸變，噪聲也會增加。所以還是需要在一定距離後將它轉變為電信號“清理”以後再繼續傳送（稱為再生）。所以，長距離光纖線路上接有很多光放大器和電子再生器。現在，新一代的器件也可以在光放大的同時作一定程度的修正和清理，減少了所需要的電子再生器的數量。

雖然作為傳播媒介來說，光纖比銅線要好得多，但它也不是完美無缺的。對於長途傳送來說，光纖的主要問題是非線性和色散。色散是指不同波長的光傳播的速度不同。這樣，一個光脈衝在傳播過程中會變寬，而和別的脈衝混在一起。這就限制了脈衝之間的最小距離，也就限制了數據傳送速率。在輸送功率高的時候，非線性會使得光的譜線變寬，從而加劇了色散現象。光纖線路中可以加入具有相反色散係數的一段光纖來近似地補償色散，從而增加再生器之間的傳送距離。

一條光纖上，還可以同時傳送不同波長的光信號。現代的高速光纖網路普遍採用高密度波長多分（DWDM）技術，用幾十，幾百個十分接近的波長來並行傳送數據。除了達到超高的傳送速率外，這種技術還為數據處理帶來了方便。在終端上，我們可以對每個波長所運載的數據進行加載或卸載，而不需要把其他波長的光信號轉變為電信號。當然，這種技術對於光源的穩定性和光纖的傳送質量也有了更高的要求。

數據傳送速率提高后，數據處理中的電子部分就成了“瓶頸”。於是，人們設法在光學的範圍內完成更多的處理。光纖網絡中的路由器好象是鐵路轉運中心，負責把一條鐵路（光纖）上進來的貨物（數據）按照其目的地放到相應的鐵路上運出去。最早的路由器是電子的，需要把數據從光信號上解調出來，送到相應的出口，再調製成光信號。這相當於轉運中心要把貨物卸下列車再重新裝車。而全光路由器則試圖避免這樣的轉換。目前的全光型路由器可以把一個波長的光接駁到相應的出口光纖，並根據需要轉換波長。這好像是把一節車廂直接編組到新的列車上，比裝貨卸貨要省事多了。但是有個條件，就是一條波長上的數據的目的地是一樣的。隨着光接駁的速度加快，在不久的將來能實現在數據包層次上的接駁而不需要光、電之間的轉換。這樣，系統的容量又能進一步提高了。

以上說的都是長距離，高速度的數據傳送。除此以外，光纖也用在家庭和企業的接入服務上，也就是所謂“光纖到戶”。這種技術中主要的挑戰就是降低成本了。

三十年前第一條實用光纖，傳送速度是45兆比特/秒(Mb/s)。現在的傳送速度已經高於太比特/秒（Tb/s），提高了近十萬倍！但是這還沒到盡頭。隨着各種技術的發展，在不久的將來傳送速度還有望繼續提高。下面就介紹兩個活躍的研究方向。

目前光信號的調製是很簡單的，基本上就是“開”和“關”兩種狀態。一個波長在每個脈衝時段可以傳送兩個比特（數位）的數據（使用兩個相差90度相位的載波）。加上偏振的話，速度可以再加一倍。如果象銅線的數字通信一樣使用更複雜的調製方式，就可以進一步提高傳送速率。但這就要求在接收端有更複雜的信號處理。這在以前很難辦到，因為所要求的時鐘速度太高了。但隨着電子技術的進步，現在信號處理的複雜度正在增加。這不僅能支持速率更高的調製方式，而且能用電子信號處理來更精確地糾正光纖傳輸中的畸變，從另一方面提高傳送速率。有了強大的信號處理，光纖的傳送速度就可望接近香農極限了。

上面說到，光纖傳送的大敵是非線性和色散。但柳暗花明，這兩個特性卻造就了一種新的傳送技術：孤立子（soliton）。非線性和色散在一定條件下的組合，可以讓一個脈衝傳播很長距離而不改變形狀。這個在十九世紀就被發現的現象，曾經是數學上一個冷僻的研究題目。但到了1973年，有人提出在光纖中能產生孤立子。1990年代，已經做出了演示系統，證明孤立子在光纖中可以高速傳送數據，而且只靠光放大器，不需要電子再生就可以傳送上億公里。這個技術實用化以後，光纖通信的性能又可以大大提高。

光纖問世三十多年來，已經徹底改變了有線數字通信的格局。從“落針聽聲”的廣告到今天無處不在的光纖網路，我們的生活也發生了重大的變化。信息對我們來說已經象水和空氣一樣不可或缺了。隨着傳送速率的進一步增加和傳送成本的進一步降低，還有着無窮無盡的新應用等着我們去發明和享受呢。

【注一】按照幾何光學的說法，芯管和覆層之間的界面是光密到光疏介質，所以能形成全反射。這樣光線就在芯管內部迂迴前進。根據入射角的不同，光線走的路途也不同，所以到達終端的時間也會有區別。這樣，一個光脈衝經過傳輸後就會散開，所以不能傳太遠。

當芯管的直徑與波長同一個量級時，光波的傳播就不能用直線來近似了，而要在給定的邊界條件下解波動方程。一般來說，在同一個邊界條件下可以有很多解，這些解稱為這種邊界條件下的模（例如，在自由空間，任何方向的平面波都是波動方程的解）。但是當芯管直徑很小時，波動方程只有一個解，這種情況稱為單模。在單模傳播條件下，光脈衝可以傳送很長距離而不散開。

也可以這麼想：光波是向四面八方傳播，又從四面八方反射回來。而只有在一定條件下，這些反射才會相互增強而不是抵消，而形成一個“模”。