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--diancililunbeijianliqilai。keyizhemeshuo
，weidadefaladiweitadaxialediji
，weidademaikesiweijianzaoletadezhuti
，zuihou，weidadeheziweizhezuodashafengleding。

 

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、raoshenengliyeqiang，danshizhesanweibushidixihuangzi，xiantianbuzu。huanchengzhuanyeshuyujiushi
，dipinduandepinlvziyuanjinzhang
，xitongrongliangyouxian，yincidipinduandewuxiandianbojinyongyuguangbo、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、更(geng)遠(yuan)距(ju)離(li)地(di)傳(chuan)輸(shu)信(xin)息(xi)。這(zhe)可(ke)以(yi)理(li)解(jie)為(wei)，你(ni)把(ba)力(li)量(liang)聚(ju)於(yu)一(yi)點(dian)打(da)出(chu)去(qu)，自(zi)然(ran)是(shi)力(li)量(liang)大(da)，打(da)得(de)遠(yuan)。而(er)眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi)
，可(ke)見(jian)光(guang)分(fen)為(wei)紅(hong)橙(cheng)黃(huang)綠(lv)藍(lan)靛(dian)紫(zi)，不(bu)是(shi)單(dan)色(se)光(guang)
，所(suo)以(yi)它(ta)不(bu)能(neng)用(yong)來(lai)通(tong)信(xin)。

 

太陽光頻譜圖

 

再zai看kan近jin紫zi外wai區qu
，雖sui然ran這zhe是shi單dan色se光guang，但dan是shi它ta能neng量liang太tai大da
，會hui和he二er氧yang化hua矽gui發fa生sheng拉la曼man散san射she
，就jiu好hao比bi你ni拳quan頭tou太tai大da了le，有you砂sha鍋guo那na麼me大da
，打da出chu去qu就jiu被bei卡ka住zhu了le，也ye不bu能neng用yong來lai通tong信xin。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

 

上shang圖tu是shi一yi個ge基ji本ben的de微wei波bo光guang子zi傳chuan輸shu鏈lian路lu。這zhe個ge過guo程cheng主zhu要yao包bao括kuo電dian光guang調tiao製zhi，光guang纖xian傳chuan輸shu和he光guang電dian解jie調tiao。電dian光guang調tiao製zhi主zhu要yao是shi利li用yong調tiao製zhi器qi將jiang攜xie帶dai信xin息xi的de微wei波bo信xin號hao加jia載zai到dao光guang載zai波bo上shang，實shi現xian微wei波bo信xin號hao到dao光guang信xin號hao的de轉zhuan換huan；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chang10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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