1.4.2 激光與量子通信技術的演進

1.光纖與激光通信技術的發展

（1）光纖與激光通信技術的演進

1870年，英國科學家廷德爾在皇家學會上表演了一個實驗裝置。他用光照亮盛水器內壁小孔，讓水從孔內流出，使大家看到光不再直線前進，而是順著水流彎曲傳送。

1880年，美國科學家貝爾發明了第一個光電話，可以說是現代光通信的開端。在光電話中，他將弧光燈的恒定光束投射在傳聲器的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，形成對光的調制，在大氣中傳輸200m后，接收端的硅電池對收到的信號進行解調制，還原成原始語音信號，從而實現了通信，如圖1-25所示。1881年貝爾發表了論文《關于利用光線進行聲音的復制與產生》。貝爾的光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣介質作為光的傳輸通道，光波傳播易受雨、霧、雪天氣候的影響，使可見度和距離縮短。由于沒有可靠的、高強度的光源，沒有穩定的、低損耗的傳輸媒介，不能使光拐彎，這些致命的缺陷，使貝爾的光電話始終沒有實用化。

1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論“光與物質相互作用”。認為在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光子相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這被叫作“受激輻射的光放大”，簡稱激光。

1930年，德國人蘭姆用石英纖維代替水流，做了光的彎曲傳送實驗，并敘述了纖維光導的特性。

1951年，英國霍布金斯等人進一步研究了圖像在一束可彎曲的玻璃纖維內傳送的規律，成功地制造出了纖維內窺鏡。這種纖維內窺鏡在光學研究和醫療工作中得到了廣泛的應用。

1951年，美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯設想如果用分子，而不用電子線路，就可以得到波長足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動形式，有些分子的振動正好和微波波段范圍的輻射相同。例如在適當的條件下，氨分子每秒振動24億次（24GHz），因此有可能發射波長為1.25cm的微波。他設想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發”狀態。然后，再設想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的很微弱的微波束中，這樣，一個單獨的氨分子就會受到這一微波束的作用，以同樣波長的束波形式放出它的能量，這一能量又繼而作用于另一個氨分子，使它也放出能量，最后就會產生一個很強的微波束。最初用來激發分子的能量就全部轉變為一種特殊的輻射。

1953年12月，湯斯和他的學生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的一個裝置，產生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射的微波放大”。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser”（脈澤）。1958年，當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了“激光原理”，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時，都會產生這種不發散的強光，即激光。他們為此發表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。

1960年5月15日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家西奧多·梅曼宣布獲得了波長為0.6943μm的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。7月7日，西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生。梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管來激發紅寶石。由于紅寶石在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時，就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面光強1000萬倍的激光。

1960年，蘇聯科學家尼古拉·巴索夫發明了半導體激光器。半導體激光器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是：尺寸小、耦合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調制、相干性好。

1966年，當時工作于英國標準電信研究所的英籍華人高錕（K.C.Kao）博士發表“光通信”基礎理論，提出以一條比頭發絲還要細的光纖代替體積龐大的千百萬條銅線，用以傳送容量幾近無限的信息，當時被外界笑稱為“癡人說夢”。因為直到20世紀60年代中期，優質光學玻璃的損耗仍高達1000dB/km。為降低損耗，他深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發現這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質，其次是拉制光纖時工藝技術造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻、一些玻璃纖維在紅外光區的損耗較小。該理論于20世紀90年代被廣泛利用，促進了長途大容量通信的大發展，高錕被譽為“光纖之父”，并于2009年10月6日獲諾貝爾物理學獎。1996年，中國科學院紫金山天文臺將一顆于1981年12月3日發現的國際編號為“三四六三”的小行星命名為“高錕星”。

1970年，在高錕理論的指導下，美國的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖。1972年，隨著光纖制備工藝中的原材料提純、制棒和拉絲技術水平的不斷提高，康寧公司研制成功4dB/km梯度折射率的高純石英多模光纖。

1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司（NEC）和蘇聯先后突破了半導體激光器在低溫（-200℃）或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功室溫下連續工作的鎵鋁砷（GaAlAs）雙異質結半導體激光器（短波長）。雖然壽命只有幾個小時，但為半導體激光器的發展奠定了基礎。由于光纖和激光器同時問世，拉開了光纖通信的帷幕，所以有人把1970年稱為光纖通信的“元年”。

1973年，半導體激光器壽命達到10萬小時（約11.4年），外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。

1974年，美國的貝爾實驗室將光纖損耗降低到1.1dB/km。

1976年，日本電報電話公司將光纖損耗降低到0.47dB/km，并研制成功發射波長為1.3μm的銦鎵砷磷（InGaAsP）激光器。

1976年，在進一步設法降低玻璃中的OH-（氫氧根）含量時，發現光纖的衰減在長波長區有1.31μm和1.55μm兩個低損耗窗口。

1976年，美國在亞特蘭大進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗，系統采用GaAlAs激光器作為光源，多模光纖作為傳輸介質，速率為44.736Mbit/s、傳輸距離約10km，這一試驗使光纖通信向實用化邁出了第一步。

1977年，世界上第一個商用光纖通信系統在美國芝加哥和圣塔摩尼卡之間的兩個電話局之間開通，使用直徑0.1mm左右的多模光纖，波長0.85μm，速率為44.736Mbit/s，能同時開通8000路電話。

1978年，日本開始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纖通信實驗。

1979年，美國AT&T和日本NTT均研制出了波長為1.35μm的半導體激光器和發射波長為1.55μm的連續振蕩半導體激光器。日本也做出了0.2dB/km，波長為1.55μm的超低損耗光纖，同時進行了1.31μm的長波長多模光纖傳輸系統的現場試驗。

1980年，原材料提純和光纖制備工藝得到不斷完善，從而加快了光纖的傳輸窗口由0.85μm移至1.31μm和1.55μm的進程。特別是制出了已接近理論值的波長為1.55μm衰減系數為0.20dB/km的低衰減光纖。與此同時，為促進光纖通信系統的實用化，人們又及時地開發出適用于長波長的光源，即激光器、發光管和光檢測器。應運而生的光纖成纜、光無源器件、性能測試及工程應用儀表等技術的日趨成熟，都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒質奠定了良好的基礎。

1981年以后，世界各發達國家將光纖通信技術大規模地推入商用。

1991年，Lucent公司第一個提出密集型光波復用DWDM技術。即將一組光波長用一根光纖進行傳送，或在一根特定的光纖中，多路復用單個光纖載波的緊密光譜間距，以實現高速的光纖數據傳輸。1995年后DWDM成為國際上主要的研究對象，朗訊貝爾實驗室認為商用的DWDM系統容量最高能夠達到100Tbit/s的傳輸容量。

2.光孤子通信技術的演進

1981年，Hasegawa和Kodama提出將光纖中的光孤子作為信息載體用于通信，構建一種新的光纖通信方案，稱光孤子通信。光孤子通信就是利用一種特殊的ps數量級上的超短光脈沖（光孤子）作為載體，實現長距離無畸變的通信，在零誤碼率的情況下，信息傳遞可達上萬里。眾多試驗表明，它可以用于海底光纜通信等，而且適合與WDM系統結合構成超高速大容量的光通信，當單信道速率達到40Gbit/s以上時，光孤子通信的優勢得以充分體現。早在1834年英國海軍工程師Scott Russell就觀測到水中存在孤波，1965年人們先后發現了自聚焦空間孤子與非線性介質波導中的傳輸孤子，這種孤子不僅不失真地傳播，而且像粒子那樣經受碰撞仍保持原來的形狀而繼續存在，稱為光孤子。1973年，Hasegawa和Tappert首次從理論上推斷，無損光纖中能形成光孤子。1980年，貝爾實驗室的Mollenauer等人用實驗方法在光纖中觀察到了孤子脈沖。

3.量子通信技術的出現

1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念。

2008年，歐盟發布了《量子信息處理與通信戰略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發展目標，包括實現地面量子通信網絡、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網絡等。

2010年，日本聯合歐洲多個研究組在東京建設了東京量子密碼網絡，集中展示最新成果，在90km的現場光纖上實現了量子密鑰分發和通信應用。

2016年8月16日，國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心成功發射，為我國引領世界量子通信技術發展，開展檢驗量子物理基本問題前沿研究，奠定了堅實的科學與技術基礎。

2016年底，連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”全線貫通，將推動量子通信技術在國防、政務、金融等領域的應用，帶動相關產業發展。“墨子號”量子衛星與“京滬干線”結合，將初步構建我國天地一體的廣域量子通信基礎設施，全面服務于國家信息安全。