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--電(dian)磁(ci)理(li)論(lun)被(bei)建(jian)立(li)起(qi)來(lai)。可(ke)以(yi)這(zhe)麼(me)說(shuo)，偉(wei)大(da)的(de)法(fa)拉(la)第(di)為(wei)它(ta)打(da)下(xia)了(le)地(di)基(ji)，偉(wei)大(da)的(de)麥(mai)克(ke)斯(si)韋(wei)建(jian)造(zao)了(le)它(ta)的(de)主(zhu)體(ti)，最(zui)後(hou)，偉(wei)大(da)的(de)赫(he)茲(zi)為(wei)這(zhe)座(zuo)大(da)廈(sha)封(feng)了(le)頂(ding)。

 

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

 

qiangdadediancibo，zaitongxinlingyuyoulianggeqinerzijibiedeyingyong，jiweibojishuheguangxiantongxinjishu。tamenmaoheshenli，douxiangduzijichengdiancibozaitongxinlingyudejiangtu，yushishangyanleyichangchangjingcaide“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、繞rao射she能neng力li也ye強qiang
，但dan是shi這zhe三san位wei不bu是shi嫡di係xi皇huang子zi，先xian天tian不bu足zu。換huan成cheng專zhuan業ye術shu語yu就jiu是shi，低di頻pin段duan的de頻pin率lv資zi源yuan緊jin張zhang，係xi統tong容rong量liang有you限xian，因yin此ci低di頻pin段duan的de無wu線xian電dian波bo僅jin用yong於yu廣guang播bo、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），erbushibatamendounalaiyongne

？yibanlaishuo
，tongxinyongdeguangboxuyaoshidanseguang，yinweidanseguangdepuxiankuanduzhai，changjulichuanshuhousesanjiaoxiao
，yinerdanseguangnenggenggaoxiao、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

 

zaikanjinziwaiqu，suiranzheshidanseguang，danshitanengliangtaida，huiheeryanghuaguifashenglamansanshe
，jiuhaobiniquantoutaidale，youshaguonameda，dachuqujiubeikazhule，yebunengyonglaitongxin。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”正(zheng)式(shi)開(kai)始(shi)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)通(tong)訊(xun)領(ling)域(yu)的(de)大(da)好(hao)江(jiang)山(shan)，微(wei)波(bo)王(wang)子(zi)和(he)光(guang)纖(xian)通(tong)訊(xun)王(wang)子(zi)
，帶(dai)著(zhe)各(ge)自(zi)的(de)擁(yong)躉(dun)磨(mo)刀(dao)霍(huo)霍(huo)，試(shi)圖(tu)進(jin)行(xing)一(yi)場(chang)龍(long)爭(zheng)虎(hu)鬥(dou)
，拚(pin)個(ge)你(ni)死(si)我(wo)活(huo)，決(jue)出(chu)一(yi)個(ge)勝(sheng)者(zhe)當(dang)這(zhe)裏(li)的(de)王(wang)。這(zhe)時(shi)科(ke)學(xue)家(jia)們(men)坐(zuo)不(bu)住(zhu)了(le)，紛(fen)紛(fen)出(chu)來(lai)“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

 

shangtushiyigejibendeweiboguangzichuanshulianlu。zhegeguochengzhuyaobaokuodianguangtiaozhi
，guangxianchuanshuheguangdianjietiao。dianguangtiaozhizhuyaoshiliyongtiaozhiqijiangxiedaixinxideweiboxinhaojiazaidaoguangzaiboshang，shixianweiboxinhaodaoguangxinhaodezhuanhuan；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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