微波和光纤通信技术如何让你的通讯更通畅

自古以来，光就理所当然地被视为这个宇宙最原始的事物之一。实际上，它也是我们一生中见得最多的东西，它在人们的心目中，永远代表着生命、活力和希望。

然而，这备受人们崇敬的“光”，居然只是“电磁波”王座下，一位普通的王子，这究竟是怎么回事儿？下面有请赫兹先生为我们解答。

电磁波存在？赫兹做出了证明

什么是电磁波？它一种虚无缥缈的东西，看不见摸不着，在赫兹实验之前，谁也没有见过或验证过它的存在。可是，赫兹坚信它存在，因为它是麦克斯韦（Maxwell）理论的一个预言。而麦克斯韦理论……哦，它在数学上完美得简直像一个奇迹！仿佛是上帝之手写下的诗篇。这样的理论，很难想象它是错误的。

为了证明自己的想法，赫兹设计了一个实验，系统由一个发生器电路和一个接收器电路组成，其装置图如下：

赫兹的装置图

通过这个实验，赫兹完美地证明了电磁波的存在，经典物理学的一个新高峰--电磁理论被建立起来。可以这么说，伟大的法拉第为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，最后，伟大的赫兹为这座大厦封了顶。

电磁波是如此的强大，它的疆土从微波到X射线，从紫外线到红外线，从γ射线到无线电波，即使为世人所歌颂、崇拜数万年的光（其实特指可见光），也只不过是它统治下的一个小小的国度罢了。

电磁波频谱（可见光不过是其中一小部分）

电磁波的两个“亲儿子”—微波技术和光纤通信技术

强大的电磁波，在通信领域有两个亲儿子级别的应用，即微波技术和光纤通信技术。它们貌合神离，都想独自继承电磁波在通信领域的疆土，于是上演了一场场精彩的“夺嫡大战”。

电磁波频谱图（蓝色微波，绿色通信光波）

首先出场的是我们“四爷”微波，微波是指，波长在毫米到米的电磁波（频率为300Mhz~300Ghz）。由上图可见，微波的势力范围还是非常宽的，从毫米到米都是它的地盘。

“四爷”的优势在于，可实现任何方向的发射，可重构性较好，易于实现无线网络和移动设备的互联。但是它会受限于带宽，而且长距离传输高频信号时损耗较大，微波信号会被大气吸收。

这就好比，如果把通信当作过年回家的旅程，那么微波就是本地一个快乐的“的哥“，市内想开去哪里就去哪里，自由散漫。但是请注意，微波这个”的哥“也是有些问题的，他只能在本市转悠（距离近），小车装不了几个人（带宽不大），满嘴跑火车还不太靠谱（易受电磁干扰）。

正所谓打虎亲兄弟，“四爷”微波可是有几个兄弟支持的，按波长排名，它们分别是“大爷”长波、“二爷”中波和“三爷”短波，这四位爷合称无线电波，在应用上，最常见的就是我们听的收音机电台。

无线电波用途分配表

前三位爷频率比微波低、传播损耗小、覆盖距离远、绕射能力也强，但是这三位不是嫡系皇子，先天不足。换成专业术语就是，低频段的频率资源紧张，系统容量有限，因此低频段的无线电波仅用于广播、电视、寻呼等系统。基于此无线电波系的兄弟几个里，大伙儿就让四爷“微波”上场，去争一争这皇位。

无线电通讯之父 伽利尔摩·马可尼（拜一拜祖师爷）

另一位出场的则是我们的“八爷”光纤通信，它用的通信光波一般是指，波长在近红外区（800nm~1700nm）的电磁波。光纤通信的损耗较低、带宽大、速率高、抗电磁干扰、且可实现波分复用。

我们还是把通信当作回家过年的旅程，光纤通信就可以被看成一位火车司机。他开的火车不耗油，速度贼快（速率高），车上能坐好几千人（带宽大），也不会堵车（抗电磁干扰）。最棒的是，如果有必要，他还能在后面再接几节车厢跑（波分复用）。但是，它必须沿着铁轨（光纤）走，我们貌似不太可能给你家门口修一条铁轨，所以要回家直接跟光纤通信先生走也不太合理。

通信光纤

而且光纤通信需要的轨道不是一般的东西，而是主要成分为二氧化硅的光导纤维。为什么它能够做到低损耗呢？这就是我们“八爷“手段高了，光纤材料（石英）是有损耗谱的，分别会在850nm、1310nm和1550nm处有三个低损耗窗口，光纤通信就利用这三个低损耗窗口做文章，赚得脑满肠肥，所谓跟“八爷”要发财就是这么来的。

光纤的损耗特性图

一个好汉三个帮，“八爷”这位好汉身边也是有很多帮手的，它们分别是光波阵营里的可见光、紫外线、X射线及γ射线。

为什么光纤通信只用不宽的近红外波段（800~1700nm），而不是把它们都拿来用呢？一般来说，通信用的光波需要是单色光，因为单色光的谱线宽度窄，长距离传输后色散较小，因而单色光能更高效、更准确、更远距离地传输信息。这可以理解为，你把力量聚于一点打出去，自然是力量大，打得远。而众所周知，可见光分为红橙黄绿蓝靛紫，不是单色光，所以它不能用来通信。

太阳光频谱图

再看近紫外区，虽然这是单色光，但是它能量太大，会和二氧化硅发生拉曼散射，就好比你拳头太大了，有砂锅那么大，打出去就被卡住了，也不能用来通信。X射线及γ射线能量比紫外线还大，就更不能用了。

故而，我们只能用低能量且单色的近红外区的光，来进行通讯了。

好了，两位主角都介绍完了，“夺嫡之战”正式开始。为了获得通讯领域的大好江山，微波王子和光纤通讯王子，带着各自的拥趸磨刀霍霍，试图进行一场龙争虎斗，拼个你死我活，决出一个胜者当这里的王。这时科学家们坐不住了，纷纷出来“劝架”。

科学家们开始给他们分析：你们一个短距离很好用，但是长距离就不行，就好比坐汽车，拉的东西少、速度慢，但是可以在城里随便跑（微波）；另一个长距离很稳定但是需要线路，就好比火车，拉的东西多、速度快但是你得有铁轨，没有铁轨跑不了（光纤通信）。

不如你们取长补短，共坐江山。在传输信号的时候用光纤，又快又稳，等到了目的地城市，就用微波，随意去哪儿都可以。

这就好比春节你回家，先坐汽车到火车站（微波调制），然后坐火车到你们那个城市（光纤传输），最后再坐汽车到你家里（微波解调），解决方式简直完美。具体怎么实现两者的结合呢，这就是微波光子技术了。

典型的微波光子传输链路

微波光子技术：微波与光纤的取长补短

上图是一个基本的微波光子传输链路。这个过程主要包括电光调制，光纤传输和光电解调。电光调制主要是利用调制器将携带信息的微波信号加载到光载波上，实现微波信号到光信号的转换；光纤传输包含长距离和短距离传输；光电解调实质上可以认为是电光调制的逆过程，即利用光电探测器将携有信息的微波号从光载上解调下来。

微波光子技术就像人骑马这个过程，微波是这个人，光纤通信是那个马。微波光子技术就是将微波（人）调制（骑）到通信光波（马）上，经过光纤传输一段距离之后，再解调（人下马），最后提取微波信号（回家）。

通过微波光子技术，我们终于很好的把微波技术和光纤通信技术结合起来，取长补短实现了最优的通讯手段。

众所周知，随着互联网的迅速发展；尤其是近几年移动互联网的冲击，人们对通信速率的要求越来越高。目前有线/无线通信网络，数据传输主要使用的是低频段的电磁波，即频率在百兆赫兹（108HZ）到千兆赫兹（109HZ）之间，其频谱带宽非常有限，频谱资源也日益紧缺。而近二十年来，人们对通信速率的需求增长极快，无论是有线通信还是无线通信，几乎每五年都会增长10倍左右，因此超高速、大带宽传送网络发展是必然趋势。

高速通信的需求变化

超高速就好比，坐高铁肯定比坐火车爽；大带宽就比如，家里人多了自然是要换个大房子，所以超高速、大带宽实际上反映了我们日益增长的物质文化需求。而微波光子学研究的课题，就恰好解决了人们这个需求。

在生活中，微波光子学具体的应用有很多，最早被大家所熟知的便是基于模拟调制的有线电视，此外还有无线通信网络、雷达组网、深空探测、电子对抗、 精密测绘、高速传感网等等。

微波光子学应用

最终，电磁波的两位亲儿子--微波技术和光纤通信技术，达成了共识：一起登上王座，勠力同心，共同经营通讯领域这片“大好河山”，他们的新王国就叫微波光子学帝国。

出品：科普中国

制作：中国科学院半导体研究所 苏涛

*监制：中国科学院计算机网络信息中心 *