编者按：我们发布这篇1977年8月刊《大众科学》文章的文本，供所有读者阅读，因为作者荣获了2009年诺贝尔物理学奖。
三个月前，贝尔系统开始对光波通信系统进行商业评估，该系统中，消息被编码成光脉冲，通过细如发丝的玻璃纤维传输。新系统通过1.5英里的地下电缆传输语音、数据和视频信号，该电缆连接了伊利诺伊贝尔电话公司的两个交换局以及芝加哥商业中心的一栋大型商业建筑。光导电缆直径仅为半英寸，包含24根光纤，分为两条各有12根光纤的带状结构。每根光纤的信息容量为每秒44.7兆比特，这意味着馈入光纤的光源每秒开关4470万次。在这个脉冲速率下，单根光纤可以承载672路单向语音信号；因此，24根光纤的容量为12 x 672，即8,064路双向对话。要达到与此容量相当的传统铜线对，则需要体积大很多倍的电缆。除了这些技术优势外，光导系统还将节省铜，并大大提高现有地下管道系统的潜在容量。
使用光进行通信并非什么新鲜事。毕竟，美洲印第安人曾发出烟雾信号，英国人也曾点燃篝火以警告西班牙无敌舰队的到来。1790年代，克劳德·查佩（Claude Chappe）建造了一个光学电报系统，该系统由遍布法国山顶的信号站组成。据说该系统可以在15分钟内传输200公里的消息，一直使用到被电力电报取代为止。1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）发明了“光电话”，他用它证明了语音可以通过光束传输。在一个系统中，贝尔将一束狭窄的阳光聚焦到一个薄镜子上。当人类语音的声波引起镜子振动时，传输到硒探测器的光能数量也相应变化。到达探测器的光线引起硒的电阻发生变化，从而引起电话接收器中电流强度的变化，在接收端建立起声波。至少在第二次世界大战之前，海军舰艇之间还普遍使用莫尔斯码光信号交换信息。
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今天的新技术是可以生成能够以极高频率调制的激光束，并且同样重要的是，可以通过数英里长的玻璃纤维传输产生的信号，且能量损耗在可接受的范围内。对光波通信的现代兴趣始于1960年首次演示激光器。这种设备可以发射近乎单色的强可见光或红外辐射光束，开启了电磁频谱的一个区域，其频率比当时用于无线电通信系统的最高频率高10,000倍。由于潜在的信息承载能力与频率成正比，通信工程师几十年来花费了大量心思来开发频率越来越高的系统。从无线电的早期开始，他们已将有用频率从大约100千赫兹（每秒100,000个周期）逐步向上推高约五个数量级，达到大约10吉赫兹（每秒100亿个周期）。现在，激光器又提供了四个数量级的增长，达到100太赫兹（每秒100万亿个周期）。原则上，仅利用激光器产生的全光频率范围的一小部分，单个光波系统就可以同时承载北美所有人的电话对话。
然而，早期的激光器体积庞大且不可靠；其中最好的激光器在运行几个月后就失效了。此外，很快就明显看出，像微波无线电中继系统那样，通过大气层从点到点投射激光束的概念是不可行的，因为信号会被雾、雾霾、雨雪衰减。实际上，可靠地将光脉冲从亚利桑那州传输到月球比在曼哈顿市中心和住宅区之间传输更容易。
在使激光器小型化、可靠和长寿命，以及避免通过大气层传输光束方面，已经取得了稳步进展。此外，虽然对于某些要求苛刻的应用，激光器仍然是首选，但对于其他应用，更简单、更便宜的设备，即高强度发光二极管（LED），就足够了。第一个有希望替代通过大气层传输光信号的方案，是在光导管中发送光信号：一种精心制造的管子，直径约为一厘米左右，配备了光学装置（可能是管道中气体密度的局部变化），用于在管道必须偏离直线的地方弯曲光线。
作为光导管的替代方案（光导管存在许多实际问题），通信工程师开始研究通过玻璃纤维传输光的可行性。玻璃或塑料纤维束已使用一段时间来传输短距离光，例如照亮仪表板或检查胃内部，但对于光波通信的目的而言，它们的透明度还远远不够。常用的材料比水还不够透明。最终为通信开发出的玻璃纤维非常透明，如果海水像它们一样清澈，人们可以轻松看到最深的海底。
在考虑可以从激光器、发光二极管和玻璃纤维构建哪种通信系统之前，让我们先研究一下如何使来自诸如电话、电视摄像机或计算机等来源的信息适合通过光传输。在传统的“模拟”传输系统中，原始信号的波形模式用于调制进入传输线的能量幅度，在这种情况下，是光束从光源发出并进入玻璃纤维的幅度。在光纤的远端，光线进入光电探测器，该探测器将光强度的变化转换为相应的电信号。根据需要放大信号，以重现传入的电波形，以便呈现给耳朵、眼睛或诸如计算机之类的无生命设备。
即使在最好的光纤中，也会因吸收和散射而损失一些光，因此光信号的强度会随着信号从光源传播到探测器而呈几何级数下降。例如，如果光信号的强度在信号传播一公里后降至原始值的一半，则在第二公里末端，强度将降至原始值的四分之一，依此类推。因此，对于长距离传输，在其他条件相同的情况下，光源应尽可能强大，探测器应尽可能灵敏。
目前，高强度激光器和“雪崩”型超灵敏光电探测器最能满足此要求，即探测器中每个入射光子都会触发电子雪崩。但是，应该注意的是，最大传输范围更多地取决于光纤中的损耗，而不是光源的功率或探测器的灵敏度。例如，将损耗降低一半将使范围精确地加倍，而将光源的功率增加一倍通常只会将范围增加约10％（确切地说，增加的长度等于将损耗增加一倍的光纤长度）。
我一直在描述的模拟传输系统的主要缺点是，如果幅度调制信号在通过光纤的过程中以任何方式失真（一定程度的失真是不可避免的），则失真将叠加在接收器处提取和放大的信号上。一种传输基本无失真信号的最有效方法是在传输之前将信号编码为数字形式。这是通过以规则的时间间隔电子采样连续信号波的幅度或高度来完成的。如果要准确表示波，则必须以其最高频率分量两倍的速率对其进行采样。因此，如果语音信号的最大频率为4,000赫兹，则以每秒8,000次的频率对其进行采样即可准确表示。单个采样测量值被编码为二进制形式，以一系列1和0表示。现在，根据预先安排的代码传输二进制数字。例如，1可以作为光脉冲传输，而0则可以作为没有脉冲传输。在接收器处，检测到脉冲并用于重建原始波。
数字传输最重要的优势在于处理微弱信号。每个探测器都有固有的内部噪声，这些噪声或多或少会破坏进入探测器的信号。因此，通信工程师通常谈论信噪比。这些比率以10为底的对数刻度测量，单位为分贝。分贝定义为两个功率水平之比的对数的10倍。例如，20分贝的信噪比表示信号电平比噪声电平高100倍。由于数字脉冲要么存在，要么不存在，即使在存在显着噪声的情况下，也可以以较低的错误概率检测到它们。例如，在信噪比为21分贝的情况下，每十亿个脉冲中只有一个会丢失在背景噪声中。另一方面，对于模拟信号，任何噪声都倾向于扭曲消息；因此，如果要令人满意地重现信号，则信噪比必须远高于21分贝。通常需要60分贝的信噪比，即信号比噪声大一百万倍。
数字传输系统对噪声的更大容忍度意味着数字信号可以比模拟信号传输得更远，然后再进行放大。数字传输的另一个巨大优势在于可以轻松地检测和再生数字脉冲。由于脉冲形状的微小失真无关紧要，因此可以检测和再生弱化的脉冲，而无需对放大器施加严格的要求。
在电话通信中，通过电缆或微波传输系统以数字脉冲的形式发送语音信号已变得越来越普遍。语音信号每秒采样8,000次，其中八个二进制数字指定
每个样本的“高度”。由于八个二进制数字能够指定28或256个幅度级别，因此它们提供了对波形的准确规范。这意味着，为了再现频率带宽为4,000赫兹的原始声波，数字系统必须能够每秒传输64,000个脉冲。光波系统的大带宽使得在带宽使用方面稍微慷慨一些变得有吸引力，以换取大大改善的信噪比性能，这在范围或信号在必须再生之前可以传播的距离方面获得了丰厚的回报。
因此，我们看到，在实际的光波通信系统中，范围取决于光源的功率、每单位光纤长度的衰减、探测器的噪声水平以及所采用的调制或编码类型。系统的带宽容量、每秒脉冲数或任何其他信息容量的度量取决于光源可以打开和关闭的速度、探测器的响应速度以及光纤的脉冲展宽特性。
目前正在使用两种光源。第一种是精制版的LED，它可以在袖珍计算器的可视显示单元中找到。对于光波通信，需要的光源不仅要比可视显示器强得多，而且大小还要与光纤相当，光纤的直径只有百分之几毫米。在为光波通信设计的LED中，LED表面蚀刻有一个小孔或凹槽，以便使光纤尽可能靠近半导体结的有源区，光就从那里发出。光纤在光谱的红外区域损耗最低，因此选择发射红外辐射的半导体材料。由砷化镓制成的LED，其发射波长约为0.8微米，令人满意，但如果它们的发射波长稍长一些，则会更好。正在积极研究能够更好地匹配当前光纤波长的半导体材料。
另一种光源是半导体二极管激光器，它的结构比发光二极管更复杂。二极管激光器只有一粒盐那么大，由几层半导体材料组成，每层的成分都不同。夹层结构有助于建立激光作用所需的条件；它提供了一个区域，该区域限制了在复合时发出光的载流子，并有助于引导光线朝优选方向传播。
曾经难以在这样的激光器中铺设连续的材料层，而不会破坏各层的晶体结构。因此，早期的器件以其光发射效率的快速衰减而臭名昭著；有些器件在几个小时内就完全失效了。新技术的逐步发展使得现在可以制造复合结构，而不会在晶体层中引入缺陷。加速老化测试表明，最新开发的器件在室温下应可使用数年。最终，激光二极管应与其他固态器件一样可靠。
激光光源有两个主要优点。第一个是其方向性。由于来自激光器的受激发射以窄光束形式出现，因此可以将大部分辐射直接耦合到光纤的末端。第二个优点是其颜色或波长范围窄，这是激光光源的典型特征。在光导中传播时，不同波长的光线以略微不同的速度传播；因此，光导中脉冲的展宽与传输的波长带的宽度成正比。因此，与发射更宽波长带的LED相比，激光光源能够以更高的速率在给定的距离上传输脉冲。典型二极管激光器的光谱宽度仅为20埃，而适用于光导通信类型的发光二极管的光谱宽度为350埃。在通过光纤传播一公里后，激光脉冲将显示出200 X 10-12秒的时间色散，相当于光在玻璃中以降低的速度传播时的四厘米距离色散。对于LED光源，色散几乎大20倍。这种由于光谱纯度不足引起的光谱色散对脉冲速率以及光波通信系统的信息容量构成了重要的限制。另一个主要限制是由于模式色散引起的脉冲展宽类型，这是因为进入光纤的一些光线比其他光线传播的路径稍长。正如我们将看到的，模式色散可以大大减小，但不能完全消除。
为了获得光导所需的非凡透明度，光纤的设计使得光永远不会靠近光纤的外表面，灰尘、划痕或与其他表面的接触会在那里造成严重的损耗。每根光纤实际上由三层组成。外层是涂层，通常是塑料，它可以防止划痕和磨损，这些划痕和磨损可能会削弱光纤并导致在应力下断裂。在保护涂层内，玻璃纤维本身具有纤芯区域，其折射率略高于周围包层。由于这种较高的折射率，当以相对于中心轴的浅角度进入光纤末端的光线撞击纤芯和包层之间的界面时，它们会被反射回纤芯。以相对于轴线的大角度进入光纤的光线只是逸出而没有被反射。从几何角度可以清楚地看到，如果光线在其第一次遇到界面时被反射回纤芯，则只要光纤中没有急剧弯曲，它将无限期地被限制在纤芯中。通过小心地将多根光纤包裹在相当硬的电缆护套中，可以避免这种弯曲。
现在可以想象模式色散的来源：平行于光纤中心轴进入的光线通常比以一定角度进入并在沿光纤通道传播时左右弹跳的光线传播的距离更短。结果，由光线组合而成的光脉冲会随着时间的推移而扩散开来。
为了克服脉冲展宽，当今的许多光纤都具有折射率渐变或成型的纤芯，以补偿光线传播的不同距离。在这样的光纤中，折射率随着径向距离远离中心而降低。在折射率较低的区域，光传播得更快。可以安排折射率的径向降低，以便所有光线几乎在同一时间到达目的地。在折射率均匀的光纤中，脉冲展宽量约为每公里25 X 10-9秒，相当于约500厘米。目前正在现场测试的渐变折射率光纤将这种色散降低了25倍，并且在实验室样品中已证明改善了100倍。第一批高透明度光纤是由康宁玻璃公司用主要成分为二氧化硅的材料制成的。第一根成功的渐变折射率光纤是由日本板硝子株式会社制造的。在贝尔实验室开发的一种工艺中，通过加热和塌陷三英尺长的石英玻璃管来制造渐变折射率光纤，该玻璃管先前已在内部涂覆了数十层精确控制的掺杂锗的二氧化硅层。每层只有大约百分之一毫米厚。将管子塌陷成称为预制棒的固体棒，然后将其拉制成数公里长的光纤。
在最好的光纤样品中，传输损耗可以低至每公里1分贝，相当于输入能量的80％传输。但是，在可用光源的工作频率下无法实现如此低的损耗；更现实的平均损耗数字为每公里4或5分贝，或约占输入能量的30％传输。即使在这个值下，激光脉冲也可以传输14公里的距离，然后才需要放大。（在该距离处，只有输入能量的10-7幸存下来。）毫无疑问，随着光源和探测器“调谐”到光纤在波长略微长于一微米的范围内显示出最小损耗的区域，并且随着光纤本身的改进，放大器之间的距离可以大大超过14公里。
细如发丝的光导很容易组装成电缆。在对它们进行涂层以防止潮湿、磨损和弯曲引起的损耗后，将光纤组装成扁平的、颜色编码的带状结构，每个带状结构包含12根光纤。多达十二条带状结构被封装在电缆中，电缆可以缓冲和保护单个光纤免受现场使用中的损坏。设计高效的拼接方法需要相当多的独创性。最终开发出一种技术，可以将电缆中的所有光纤末端对准到两微米以内的精度。
与金属导体传输相比，光导具有许多优势。由于光导传输系统中的光被紧密地限制在每根光纤的内芯中。信号不会在相邻光纤之间泄漏并引起“串扰”。此外。由于光导不受来自其他来源的电磁干扰的影响。光波系统在电气噪声环境（例如电话中心局的交换设备之间）中传输信息应显示出优势。
与同等容量的金属电缆相比，光波通信电缆在材料方面具有明显的节省。目前，光纤比铜线贵得多。但这在技术复杂的新产品首次投入生产时是可以预期的。正如光波通信有两种光源一样。也有两种类型的探测器在使用。两者都是固态器件。一种是简单的结型器件，称为PIN探测器。与太阳能电池非常相似。其中光子产生电流。（字母P、I和N代表探测器结中使用的半导体的电子特性。）另一种器件是上面提到的雪崩光电探测器。所有信号探测器都有背景噪声，该噪声与其工作速度成正比地增加。例如。当PIN探测器以每秒1兆比特的速度运行时，背景噪声从10-11瓦增加到以每秒100兆比特的速度运行时增加到10-9瓦。在相同的工作速度下，雪崩探测器中的背景噪声降低了10倍。由此可见，低速系统的传输距离大于高速系统的传输距离。在光波通信中，信号探测器是接收器模块中的第一级，该接收器模块包含使信号适应通过现有电信网络传输所需的电路。
现在，让我们将关于光源、探测器和光纤特性的各种信息汇集起来，看看有哪些通信能力可用。首先，让我们计算低比特率系统的范围，该系统能够每秒传输106比特。为了使检测能够以很少的错误进行，到达探测器的信号必须比探测器的内部噪声大100倍。如果使用雪崩光电探测器。到达的信号必须具有至少10-10瓦的功率水平。为了获得最大范围，我们。会选择功率输出为10-3瓦的激光器，而不是功率低一个数量级的LED。正如我们所见。使用数字编码，允许光通过光纤的最大衰减系数为107或70分贝。由于目前生产的光纤的衰减小于每公里5分贝。我们可以预期在放大之前，在14公里的距离内可以获得令人满意的传输。（如果每公里衰减仅为1分贝的光纤得到完善。范围可以扩展到70公里。）实际上，似乎不大可能获得连续长度远大于几公里的光纤。因此，在两根光纤的连接处引入的额外损耗必须添加到损耗数字中。目前的插头型连接器引入的损耗约为0.5分贝。如果14公里路线需要六个连接器。则额外损耗仅为3分贝。（通过将路线缩短五分之三公里，可以将总损耗保持在70分贝以内。）
选择了光源、探测器和光纤之后。光导系统的信息处理能力将如何？由于希望以尽可能高的比特率传输。因此必须考虑许多因素。正如我们所见。探测器的噪声水平随着比特率的增加而增加。因此，如果信号功率刚好足以以每秒106个脉冲的速度传输。则必须将其提高100倍才能以每秒108比特的速度传输。此外。随着脉冲越来越短，彼此之间越来越靠近，它们在光纤中传播时的展宽成为重要的限制因素。
为了简化计算，让我们稍微武断地决定，脉冲展宽将不超过连续脉冲之间间隔的一半。在渐变折射率光纤中，由于模式色散（路径长度的差异）引起的脉冲展宽量约为每公里10-9秒。这意味着如果尝试传输
每秒109个脉冲。展宽相当于脉冲峰值之间的整个间隔。因此，为了保持一半间隔的分离，信令速率不能超过0.5 X 109或5 X 108个脉冲/秒。如果我们有激光光源，这就是极限，激光光源几乎是单色的，因此可以忽略由于波长色散引起的脉冲展宽。
但是，如果我们选择LED光源。波长色散将成为信令速率的限制因素。对于LED，波长色散量为每公里3.5 X 10-9秒，比模式色散大3.5倍。为了将展宽保持在连续脉冲之间间隔的一半以下，使用LED光源的信令速率必须略低于激光器允许速率的三分之一，即每秒1.4 X 108个脉冲。自然地，随着所需传输距离的增加，信令速率必须成比例地降低。例如，对于10公里的标称传输距离，激光光源的速率必须降低十倍，降至每秒5 X 107个脉冲，或大约为芝加哥装置实际选择的速率（4.47 X 107）。这些简单的计算说明了利用当今技术可以实现的目标，也使人们对范围、容量和设备复杂性之间可以做出的各种设计选择有所了解。毫无疑问，未来会有显着改进。
新型光导技术在许多领域展现出极具前景的应用。例如，电视信号可以轻松地通过单根光纤进行传输，这为娱乐和商业应用开辟了新的可能性。建筑物可以使用几乎隐形的纤细光纤进行“布线”，从而提供内部通信服务。计算机的各个部件可以使用光纤进行互连。然而，在电话通信领域，人们可以预见，最早期的重要应用将出现在这里。
如今，连接城市电话交换中心的大部分铜缆都铺设在地下管道中，而地下管道空间非常宝贵。增加新的管道空间既昂贵又不方便。光波通信系统以其高容量和小尺寸，可以更好地利用现有的地下管道，并有助于延缓新建管道的需求。此外，由于许多城市中相邻的交换中心相距不到七公里，光波系统可能不需要在人孔中安装任何放大器来增强典型线路上的信号。
在芝加哥的装置完成之前，贝尔实验室和西电公司去年在亚特兰大模拟现场条件下测试了一个原型光波系统。两条640米长的光导电缆，每条包含144根光纤，被拉入标准的地下管道，并进行了模拟典型城市电信环境的测试。安装工作没有损坏任何光纤，并且需要通过急弯的拉拔操作没有降低光导的性能。与目前的芝加哥系统一样，每对光纤承载了相当于672个双向语音通道的容量。光源是砷化镓铝激光器，工作速率为每秒4470万比特。在接收端，光脉冲被雪崩光电探测器转换为电信号。作为亚特兰大实验的一部分，一些单独光纤的末端被连接起来，形成了一条约70公里长的连续通信路径。借助11个再生器或放大器，在整个路径上，在一个方向上实现了几乎无差错的持续传输。芝加哥的装置与亚特兰大的实验系统非常相似，只是除了激光器之外，还使用了LED作为光源。
除了提到未来预期会降低光纤损耗之外，我在这里描述的一切都基于当前的技术。如果认为我们不会见证进一步的巨大发展，那将与以往的所有经验相悖。例如，许多工业界和大学的研究人员正在进行集成光学实验，其中包括在薄膜内处理光信号的技术，这相当于集成微电子电路的光学等效物。这种光学电路有朝一日可能会消除沿传输路径上的放大器中光脉冲与电信号之间相互转换的需求。此外，理论和实验工作都在进行中，以研究直接切换光脉冲的可能性，从而无需首先将光信号转换为其电等效物。人们希望开发出光学开关来取代目前的机电和电子设备，从而使电话呼叫能够以比以往任何时候都更大的数量和更高的速度进行连接。