電磁波的兩位「親兒子」，讓你的通訊更快更通暢

知識 02-28

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路信息中心

自古以來，光就理所當然地被視為這個宇宙最原始的事物之一。實際上，它也是我們一生中見得最多的東西，它在人們的心目中，永遠代表著生命、活力和希望。

然而，這備受人們崇敬的"光"，居然只是"電磁波"王座下，一位普通的王子，這究竟是怎麼回事兒？下面有請赫茲先生為我們解答。

電磁波存在？赫茲做出了證明

什麼是電磁波？它一種虛無縹緲的東西，看不見摸不著，在赫茲實驗之前，誰也沒有見過或驗證過它的存在。可是，赫茲堅信它存在，因為它是麥克斯韋（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蹟！彷彿是上帝之手寫下的詩篇。這樣的理論，很難想像它是錯誤的。

為了證明自己的想法，赫茲設計了一個實驗，系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--電磁理論被建立起來。可以這麼說，偉大的法拉第為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，最後，偉大的赫茲為這座大廈封了頂。

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），也只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

強大的電磁波，在通信領域有兩個親兒子級別的應用，即微波技術和光纖通信技術。它們貌合神離，都想獨自繼承電磁波在通信領域的疆土，於是上演了一場場精彩的"奪嫡大戰"。

電磁波頻譜圖

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"的優勢在於，可實現任何方向的發射，可重構性較好，易於實現無線網路和移動設備的互聯。但是它會受限於帶寬，而且長距離傳輸高頻信號時損耗較大，微波信號會被大氣吸收。

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"，市內想開去哪裡就去哪裡，自由散漫。但是請注意，微波這個"的哥"也是有些問題的，他只能在本市轉悠（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（易受電磁干擾）。

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、繞射能力也強，但是這三位不是嫡系皇子，先天不足。換成專業術語就是，低頻段的頻率資源緊張，系統容量有限，因此低頻段的無線電波僅用於廣播、電視、尋呼等系統。基於此無線電波系的兄弟幾個里，大伙兒就讓四爺"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、抗電磁干擾、且可實現波分復用。

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（抗電磁干擾）。最棒的是，如果有必要，他還能在後面再接幾節車廂跑（波分復用）。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硅的光導纖維。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里的可見光、紫外線、X射線及γ射線。

為什麼光纖通信只用不寬的近紅外波段（800~1700nm），而不是把它們都拿來用呢？一般來說，通信用的光波需要是單色光，因為單色光的譜線寬度窄，長距離傳輸後色散較小，因而單色光能更高效、更準確、更遠距離地傳輸信息。這可以理解為，你把力量聚於一點打出去，自然是力量大，打得遠。而眾所周知，可見光分為紅橙黃綠藍靛紫，不是單色光，所以它不能用來通信。

太陽光頻譜圖

再看近紫外區，雖然這是單色光，但是它能量太大，會和二氧化硅發生拉曼散射，就好比你拳頭太大了，有砂鍋那麼大，打出去就被卡住了，也不能用來通信。X射線及γ射線能量比紫外線還大，就更不能用了。

故而，我們只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"正式開始。為了獲得通訊領域的大好江山，微波王子和光纖通訊王子，帶著各自的擁躉磨刀霍霍，試圖進行一場龍爭虎鬥，拼個你死我活，決出一個勝者當這裡的王。這時科學家們坐不住了，紛紛出來"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，但是可以在城裡隨便跑（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裡（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。

微波光子技術：微波與光纖的取長補短

上圖是一個基本的微波光子傳輸鏈路。這個過程主要包括電光調製，光纖傳輸和光電解調。電光調製主要是利用調製器將攜帶信息的微波信號載入到光載波上，實現微波信號到光信號的轉換；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/無線通信網路，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）之間，其頻譜帶寬非常有限，頻譜資源也日益緊缺。而近二十年來，人們對通信速率的需求增長極快，無論是有線通信還是無線通信，幾乎每五年都會增長10倍左右，因此超高速、大帶寬傳送網路發展是必然趨勢。