1.4.2 激光与量子通信技术的演进

1.光纤与激光通信技术的发展

（1）光纤与激光通信技术的演进

1870年，英国科学家廷德尔在皇家学会上表演了一个实验装置。他用光照亮盛水器内壁小孔，让水从孔内流出，使大家看到光不再直线前进，而是顺着水流弯曲传送。

1880年，美国科学家贝尔发明了第一个光电话，可以说是现代光通信的开端。在光电话中，他将弧光灯的恒定光束投射在传声器的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，形成对光的调制，在大气中传输200m后，接收端的硅电池对收到的信号进行解调制，还原成原始语音信号，从而实现了通信，如图1-25所示。1881年贝尔发表了论文《关于利用光线进行声音的复制与产生》。贝尔的光电话和烽火报警一样，都是利用大气介质作为光的传输通道，光波传播易受雨、雾、雪天气候的影响，使可见度和距离缩短。由于没有可靠的、高强度的光源，没有稳定的、低损耗的传输媒介，不能使光拐弯，这些致命的缺陷，使贝尔的光电话始终没有实用化。

1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”。认为在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光子相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这被叫作“受激辐射的光放大”，简称激光。

1930年，德国人兰姆用石英纤维代替水流，做了光的弯曲传送实验，并叙述了纤维光导的特性。

1951年，英国霍布金斯等人进一步研究了图像在一束可弯曲的玻璃纤维内传送的规律，成功地制造出了纤维内窥镜。这种纤维内窥镜在光学研究和医疗工作中得到了广泛的应用。

1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯设想如果用分子，而不用电子线路，就可以得到波长足够小的无线电波。分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。例如在适当的条件下，氨分子每秒振动24亿次（24GHz），因此有可能发射波长为1.25cm的微波。他设想通过热或电的方法，把能量泵入氨分子中，使它们处于“激发”状态。然后，再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的很微弱的微波束中，这样，一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用，以同样波长的束波形式放出它的能量，这一能量又继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量，最后就会产生一个很强的微波束。最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。

1953年12月，汤斯和他的学生阿瑟·肖洛终于制成了按上述原理工作的一个装置，产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射的微波放大”。按其英文的首字母缩写为M.A.S.E.R,并由之造出了单词“maser”（脉泽）。1958年，当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光，即激光。他们为此发表了重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。

1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼宣布获得了波长为0.6943μm的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。7月7日，西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管来激发红宝石。由于红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面光强1000万倍的激光。

1960年，苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

1966年，当时工作于英国标准电信研究所的英籍华人高锟（K.C.Kao）博士发表“光通信”基础理论，提出以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线，用以传送容量几近无限的信息，当时被外界笑称为“痴人说梦”。因为直到20世纪60年代中期，优质光学玻璃的损耗仍高达1000dB/km。为降低损耗，他深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀、一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。该理论于20世纪90年代被广泛利用，促进了长途大容量通信的大发展，高锟被誉为“光纤之父”，并于2009年10月6日获诺贝尔物理学奖。1996年，中国科学院紫金山天文台将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“三四六三”的小行星命名为“高锟星”。

1970年，在高锟理论的指导下，美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高，康宁公司研制成功4dB/km梯度折射率的高纯石英多模光纤。

1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和苏联先后突破了半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续工作的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）。虽然寿命只有几个小时，但为半导体激光器的发展奠定了基础。由于光纤和激光器同时问世，拉开了光纤通信的帷幕，所以有人把1970年称为光纤通信的“元年”。

1973年，半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年），外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。

1974年，美国的贝尔实验室将光纤损耗降低到1.1dB/km。

1976年，日本电报电话公司将光纤损耗降低到0.47dB/km，并研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器。

1976年，在进一步设法降低玻璃中的OH-（氢氧根）含量时，发现光纤的衰减在长波长区有1.31μm和1.55μm两个低损耗窗口。

1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作为光源，多模光纤作为传输介质，速率为44.736Mbit/s、传输距离约10km，这一试验使光纤通信向实用化迈出了第一步。

1977年，世界上第一个商用光纤通信系统在美国芝加哥和圣塔摩尼卡之间的两个电话局之间开通，使用直径0.1mm左右的多模光纤，波长0.85μm，速率为44.736Mbit/s，能同时开通8000路电话。

1978年，日本开始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实验。

1979年，美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.35μm的半导体激光器和发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。日本也做出了0.2dB/km，波长为1.55μm的超低损耗光纤，同时进行了1.31μm的长波长多模光纤传输系统的现场试验。

1980年，原材料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，从而加快了光纤的传输窗口由0.85μm移至1.31μm和1.55μm的进程。特别是制出了已接近理论值的波长为1.55μm衰减系数为0.20dB/km的低衰减光纤。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源，即激光器、发光管和光检测器。应运而生的光纤成缆、光无源器件、性能测试及工程应用仪表等技术的日趋成熟，都为光纤光缆作为新的通信传输媒质奠定了良好的基础。

1981年以后，世界各发达国家将光纤通信技术大规模地推入商用。

1991年，Lucent公司第一个提出密集型光波复用DWDM技术。即将一组光波长用一根光纤进行传送，或在一根特定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以实现高速的光纤数据传输。1995年后DWDM成为国际上主要的研究对象，朗讯贝尔实验室认为商用的DWDM系统容量最高能够达到100Tbit/s的传输容量。

2.光孤子通信技术的演进

1981年，Hasegawa和Kodama提出将光纤中的光孤子作为信息载体用于通信，构建一种新的光纤通信方案，称光孤子通信。光孤子通信就是利用一种特殊的ps数量级上的超短光脉冲（光孤子）作为载体，实现长距离无畸变的通信，在零误码率的情况下，信息传递可达上万里。众多试验表明，它可以用于海底光缆通信等，而且适合与WDM系统结合构成超高速大容量的光通信，当单信道速率达到40Gbit/s以上时，光孤子通信的优势得以充分体现。早在1834年英国海军工程师Scott Russell就观测到水中存在孤波，1965年人们先后发现了自聚焦空间孤子与非线性介质波导中的传输孤子，这种孤子不仅不失真地传播，而且像粒子那样经受碰撞仍保持原来的形状而继续存在，称为光孤子。1973年，Hasegawa和Tappert首次从理论上推断，无损光纤中能形成光孤子。1980年，贝尔实验室的Mollenauer等人用实验方法在光纤中观察到了孤子脉冲。

3.量子通信技术的出现

1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念。

2008年，欧盟发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。

2010年，日本联合欧洲多个研究组在东京建设了东京量子密码网络，集中展示最新成果，在90km的现场光纤上实现了量子密钥分发和通信应用。

2016年8月16日，国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，为我国引领世界量子通信技术发展，开展检验量子物理基本问题前沿研究，奠定了坚实的科学与技术基础。

2016年底，连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”全线贯通，将推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用，带动相关产业发展。“墨子号”量子卫星与“京沪干线”结合，将初步构建我国天地一体的广域量子通信基础设施，全面服务于国家信息安全。