編者按：我們釋出這篇1977年8月刊《大眾科學》文章的文字，供所有讀者閱讀，因為作者榮獲了2009年諾貝爾物理學獎。
三個月前，貝爾系統開始對光波通訊系統進行商業評估，該系統中，訊息被編碼成光脈衝，透過細如髮絲的玻璃纖維傳輸。新系統透過1.5英里的地下電纜傳輸語音、資料和影片訊號，該電纜連線了伊利諾伊貝爾電話公司的兩個交換局以及芝加哥商業中心的一棟大型商業建築。光導電纜直徑僅為半英寸，包含24根光纖，分為兩條各有12根光纖的帶狀結構。每根光纖的資訊容量為每秒44.7兆位元，這意味著饋入光纖的光源每秒開關4470萬次。在這個脈衝速率下，單根光纖可以承載672路單向語音訊號；因此，24根光纖的容量為12 x 672，即8,064路雙向對話。要達到與此容量相當的傳統銅線對，則需要體積大很多倍的電纜。除了這些技術優勢外，光導系統還將節省銅，並大大提高現有地下管道系統的潛在容量。
使用光進行通訊並非什麼新鮮事。畢竟，美洲印第安人曾發出煙霧訊號，英國人也曾點燃篝火以警告西班牙無敵艦隊的到來。1790年代，克勞德·查佩（Claude Chappe）建造了一個光學電報系統，該系統由遍佈法國山頂的訊號站組成。據說該系統可以在15分鐘內傳輸200公里的訊息，一直使用到被電力電報取代為止。1880年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）發明了“光電話”，他用它證明了語音可以透過光束傳輸。在一個系統中，貝爾將一束狹窄的陽光聚焦到一個薄鏡子上。當人類語音的聲波引起鏡子振動時，傳輸到硒探測器的光能數量也相應變化。到達探測器的光線引起硒的電阻發生變化，從而引起電話接收器中電流強度的變化，在接收端建立起聲波。至少在第二次世界大戰之前，海軍艦艇之間還普遍使用莫爾斯碼光訊號交換資訊。
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今天的新技術是可以生成能夠以極高頻率調製的雷射束，並且同樣重要的是，可以透過數英里長的玻璃纖維傳輸產生的訊號，且能量損耗在可接受的範圍內。對光波通訊的現代興趣始於1960年首次演示雷射器。這種裝置可以發射近乎單色的強可見光或紅外輻射光束，開啟了電磁頻譜的一個區域，其頻率比當時用於無線電通訊系統的最高頻率高10,000倍。由於潛在的資訊承載能力與頻率成正比，通訊工程師幾十年來花費了大量心思來開發頻率越來越高的系統。從無線電的早期開始，他們已將有用頻率從大約100千赫茲（每秒100,000個週期）逐步向上推高約五個數量級，達到大約10吉赫茲（每秒100億個週期）。現在，雷射器又提供了四個數量級的增長，達到100太赫茲（每秒100萬億個週期）。原則上，僅利用雷射器產生的全光頻率範圍的一小部分，單個光波系統就可以同時承載北美所有人的電話對話。
然而，早期的雷射器體積龐大且不可靠；其中最好的雷射器在執行幾個月後就失效了。此外，很快就明顯看出，像微波無線電中繼系統那樣，透過大氣層從點到點投射雷射束的概念是不可行的，因為訊號會被霧、霧霾、雨雪衰減。實際上，可靠地將光脈衝從亞利桑那州傳輸到月球比在曼哈頓市中心和住宅區之間傳輸更容易。
在使雷射器小型化、可靠和長壽命，以及避免透過大氣層傳輸光束方面，已經取得了穩步進展。此外，雖然對於某些要求苛刻的應用，雷射器仍然是首選，但對於其他應用，更簡單、更便宜的裝置，即高強度發光二極體（LED），就足夠了。第一個有希望替代透過大氣層傳輸光訊號的方案，是在光導管中傳送光訊號：一種精心製造的管子，直徑約為一釐米左右，配備了光學裝置（可能是管道中氣體密度的區域性變化），用於在管道必須偏離直線的地方彎曲光線。
作為光導管的替代方案（光導管存在許多實際問題），通訊工程師開始研究透過玻璃纖維傳輸光的可行性。玻璃或塑膠纖維束已使用一段時間來傳輸短距離光，例如照亮儀表板或檢查胃內部，但對於光波通訊的目的而言，它們的透明度還遠遠不夠。常用的材料比水還不夠透明。最終為通訊開發出的玻璃纖維非常透明，如果海水像它們一樣清澈，人們可以輕鬆看到最深的海底。
在考慮可以從雷射器、發光二極體和玻璃纖維構建哪種通訊系統之前，讓我們先研究一下如何使來自諸如電話、電視攝像機或計算機等來源的資訊適合透過光傳輸。在傳統的“模擬”傳輸系統中，原始訊號的波形模式用於調製進入傳輸線的能量幅度，在這種情況下，是光束從光源發出並進入玻璃纖維的幅度。在光纖的遠端，光線進入光電探測器，該探測器將光強度的變化轉換為相應的電訊號。根據需要放大訊號，以重現傳入的電波形，以便呈現給耳朵、眼睛或諸如計算機之類的無生命裝置。
即使在最好的光纖中，也會因吸收和散射而損失一些光，因此光訊號的強度會隨著訊號從光源傳播到探測器而呈幾何級數下降。例如，如果光訊號的強度在訊號傳播一公里後降至原始值的一半，則在第二公里末端，強度將降至原始值的四分之一，依此類推。因此，對於長距離傳輸，在其他條件相同的情況下，光源應儘可能強大，探測器應儘可能靈敏。
目前，高強度雷射器和“雪崩”型超靈敏光電探測器最能滿足此要求，即探測器中每個入射光子都會觸發電子雪崩。但是，應該注意的是，最大傳輸範圍更多地取決於光纖中的損耗，而不是光源的功率或探測器的靈敏度。例如，將損耗降低一半將使範圍精確地加倍，而將光源的功率增加一倍通常只會將範圍增加約10％（確切地說，增加的長度等於將損耗增加一倍的光纖長度）。
我一直在描述的模擬傳輸系統的主要缺點是，如果幅度調製訊號在透過光纖的過程中以任何方式失真（一定程度的失真是不可避免的），則失真將疊加在接收器處提取和放大的訊號上。一種傳輸基本無失真訊號的最有效方法是在傳輸之前將訊號編碼為數字形式。這是透過以規則的時間間隔電子取樣連續訊號波的幅度或高度來完成的。如果要準確表示波，則必須以其最高頻率分量兩倍的速率對其進行取樣。因此，如果語音訊號的最大頻率為4,000赫茲，則以每秒8,000次的頻率對其進行取樣即可準確表示。單個取樣測量值被編碼為二進位制形式，以一系列1和0表示。現在，根據預先安排的程式碼傳輸二進位制數字。例如，1可以作為光脈衝傳輸，而0則可以作為沒有脈衝傳輸。在接收器處，檢測到脈衝並用於重建原始波。
數字傳輸最重要的優勢在於處理微弱訊號。每個探測器都有固有的內部噪聲，這些噪聲或多或少會破壞進入探測器的訊號。因此，通訊工程師通常談論信噪比。這些比率以10為底的對數刻度測量，單位為分貝。分貝定義為兩個功率水平之比的對數的10倍。例如，20分貝的信噪比表示訊號電平比噪聲電平高100倍。由於數字脈衝要麼存在，要麼不存在，即使在存在顯著噪聲的情況下，也可以以較低的錯誤機率檢測到它們。例如，在信噪比為21分貝的情況下，每十億個脈衝中只有一個會丟失在背景噪聲中。另一方面，對於模擬訊號，任何噪聲都傾向於扭曲訊息；因此，如果要令人滿意地重現訊號，則信噪比必須遠高於21分貝。通常需要60分貝的信噪比，即訊號比噪聲大一百萬倍。
數字傳輸系統對噪聲的更大容忍度意味著數字訊號可以比模擬訊號傳輸得更遠，然後再進行放大。數字傳輸的另一個巨大優勢在於可以輕鬆地檢測和再生數字脈衝。由於脈衝形狀的微小失真無關緊要，因此可以檢測和再生弱化的脈衝，而無需對放大器施加嚴格的要求。
在電話通訊中，透過電纜或微波傳輸系統以數字脈衝的形式傳送語音訊號已變得越來越普遍。語音訊號每秒取樣8,000次，其中八個二進位制數字指定
每個樣本的“高度”。由於八個二進位制數字能夠指定28或256個幅度級別，因此它們提供了對波形的準確規範。這意味著，為了再現頻率頻寬為4,000赫茲的原始聲波，數字系統必須能夠每秒傳輸64,000個脈衝。光波系統的大頻寬使得在頻寬使用方面稍微慷慨一些變得有吸引力，以換取大大改善的信噪比效能，這在範圍或訊號在必須再生之前可以傳播的距離方面獲得了豐厚的回報。
因此，我們看到，在實際的光波通訊系統中，範圍取決於光源的功率、每單位光纖長度的衰減、探測器的噪聲水平以及所採用的調製或編碼型別。系統的頻寬容量、每秒脈衝數或任何其他資訊容量的度量取決於光源可以開啟和關閉的速度、探測器的響應速度以及光纖的脈衝展寬特性。
目前正在使用兩種光源。第一種是精製版的LED，它可以在袖珍計算器的可視顯示單元中找到。對於光波通訊，需要的光源不僅要比可視顯示器強得多，而且大小還要與光纖相當，光纖的直徑只有百分之幾毫米。在為光波通訊設計的LED中，LED表面蝕刻有一個小孔或凹槽，以便使光纖儘可能靠近半導體結的有源區，光就從那裡發出。光纖在光譜的紅外區域損耗最低，因此選擇發射紅外輻射的半導體材料。由砷化鎵製成的LED，其發射波長約為0.8微米，令人滿意，但如果它們的發射波長稍長一些，則會更好。正在積極研究能夠更好地匹配當前光纖波長的半導體材料。
另一種光源是半導體二極體雷射器，它的結構比發光二極體更復雜。二極體雷射器只有一粒鹽那麼大，由幾層半導體材料組成，每層的成分都不同。夾層結構有助於建立雷射作用所需的條件；它提供了一個區域，該區域限制了在複合時發出光的載流子，並有助於引導光線朝優選方向傳播。
曾經難以在這樣的雷射器中鋪設連續的材料層，而不會破壞各層的晶體結構。因此，早期的器件以其光發射效率的快速衰減而臭名昭著；有些器件在幾個小時內就完全失效了。新技術的逐步發展使得現在可以製造複合結構，而不會在晶體層中引入缺陷。加速老化測試表明，最新開發的器件在室溫下應可使用數年。最終，雷射二極體應與其他固態器件一樣可靠。
雷射光源有兩個主要優點。第一個是其方向性。由於來自雷射器的受激發射以窄光束形式出現，因此可以將大部分輻射直接耦合到光纖的末端。第二個優點是其顏色或波長範圍窄，這是雷射光源的典型特徵。在光導中傳播時，不同波長的光線以略微不同的速度傳播；因此，光導中脈衝的展寬與傳輸的波長帶的寬度成正比。因此，與發射更寬波長帶的LED相比，雷射光源能夠以更高的速率在給定的距離上傳輸脈衝。典型二極體雷射器的光譜寬度僅為20埃，而適用於光導通訊型別的發光二極體的光譜寬度為350埃。在透過光纖傳播一公里後，雷射脈衝將顯示出200 X 10-12秒的時間色散，相當於光在玻璃中以降低的速度傳播時的四釐米距離色散。對於LED光源，色散幾乎大20倍。這種由於光譜純度不足引起的光譜色散對脈衝速率以及光波通訊系統的資訊容量構成了重要的限制。另一個主要限制是由於模式色散引起的脈衝展寬型別，這是因為進入光纖的一些光線比其他光線傳播的路徑稍長。正如我們將看到的，模式色散可以大大減小，但不能完全消除。
為了獲得光導所需的非凡透明度，光纖的設計使得光永遠不會靠近光纖的外表面，灰塵、劃痕或與其他表面的接觸會在那裡造成嚴重的損耗。每根光纖實際上由三層組成。外層是塗層，通常是塑膠，它可以防止劃痕和磨損，這些劃痕和磨損可能會削弱光纖並導致在應力下斷裂。在保護塗層內，玻璃纖維本身具有纖芯區域，其折射率略高於周圍包層。由於這種較高的折射率，當以相對於中心軸的淺角度進入光纖末端的光線撞擊纖芯和包層之間的介面時，它們會被反射回纖芯。以相對於軸線的大角度進入光纖的光線只是逸出而沒有被反射。從幾何角度可以清楚地看到，如果光線在其第一次遇到介面時被反射回纖芯，則只要光纖中沒有急劇彎曲，它將無限期地被限制在纖芯中。透過小心地將多根光纖包裹在相當硬的電纜護套中，可以避免這種彎曲。
現在可以想象模式色散的來源：平行於光纖中心軸進入的光線通常比以一定角度進入並在沿光纖通道傳播時左右彈跳的光線傳播的距離更短。結果，由光線組合而成的光脈衝會隨著時間的推移而擴散開來。
為了克服脈衝展寬，當今的許多光纖都具有折射率漸變或成型的纖芯，以補償光線傳播的不同距離。在這樣的光纖中，折射率隨著徑向距離遠離中心而降低。在折射率較低的區域，光傳播得更快。可以安排折射率的徑向降低，以便所有光線幾乎在同一時間到達目的地。在折射率均勻的光纖中，脈衝展寬量約為每公里25 X 10-9秒，相當於約500釐米。目前正在現場測試的漸變折射率光纖將這種色散降低了25倍，並且在實驗室樣品中已證明改善了100倍。第一批高透明度光纖是由康寧玻璃公司用主要成分為二氧化矽的材料製成的。第一根成功的漸變折射率光纖是由日本板硝子株式會社製造的。在貝爾實驗室開發的一種工藝中，透過加熱和塌陷三英尺長的石英玻璃管來製造漸變折射率光纖，該玻璃管先前已在內部塗覆了數十層精確控制的摻雜鍺的二氧化矽層。每層只有大約百分之一毫米厚。將管子塌陷成稱為預製棒的固體棒，然後將其拉制成數公里長的光纖。
在最好的光纖樣品中，傳輸損耗可以低至每公里1分貝，相當於輸入能量的80％傳輸。但是，在可用光源的工作頻率下無法實現如此低的損耗；更現實的平均損耗數字為每公里4或5分貝，或約佔輸入能量的30％傳輸。即使在這個值下，雷射脈衝也可以傳輸14公里的距離，然後才需要放大。（在該距離處，只有輸入能量的10-7倖存下來。）毫無疑問，隨著光源和探測器“調諧”到光纖在波長略微長於一微米的範圍內顯示出最小損耗的區域，並且隨著光纖本身的改進，放大器之間的距離可以大大超過14公里。
細如髮絲的光導很容易組裝成電纜。在對它們進行塗層以防止潮溼、磨損和彎曲引起的損耗後，將光纖組裝成扁平的、顏色編碼的帶狀結構，每個帶狀結構包含12根光纖。多達十二條帶狀結構被封裝在電纜中，電纜可以緩衝和保護單個光纖免受現場使用中的損壞。設計高效的拼接方法需要相當多的獨創性。最終開發出一種技術，可以將電纜中的所有光纖末端對準到兩微米以內的精度。
與金屬導體傳輸相比，光導具有許多優勢。由於光導傳輸系統中的光被緊密地限制在每根光纖的內芯中。訊號不會在相鄰光纖之間洩漏並引起“串擾”。此外。由於光導不受來自其他來源的電磁干擾的影響。光波系統在電氣噪聲環境（例如電話中心局的交換裝置之間）中傳輸資訊應顯示出優勢。
與同等容量的金屬電纜相比，光波通訊電纜在材料方面具有明顯的節省。目前，光纖比銅線貴得多。但這在技術複雜的新產品首次投入生產時是可以預期的。正如光波通訊有兩種光源一樣。也有兩種型別的探測器在使用。兩者都是固態器件。一種是簡單的結型器件，稱為PIN探測器。與太陽能電池非常相似。其中光子產生電流。（字母P、I和N代表探測器結中使用的半導體的電子特性。）另一種器件是上面提到的雪崩光電探測器。所有訊號探測器都有背景噪聲，該噪聲與其工作速度成正比地增加。例如。當PIN探測器以每秒1兆位元的速度執行時，背景噪聲從10-11瓦增加到以每秒100兆位元的速度執行時增加到10-9瓦。在相同的工作速度下，雪崩探測器中的背景噪聲降低了10倍。由此可見，低速系統的傳輸距離大於高速系統的傳輸距離。在光波通訊中，訊號探測器是接收器模組中的第一級，該接收器模組包含使訊號適應透過現有電信網路傳輸所需的電路。
現在，讓我們將關於光源、探測器和光纖特性的各種資訊彙集起來，看看有哪些通訊能力可用。首先，讓我們計算低位元率系統的範圍，該系統能夠每秒傳輸106位元。為了使檢測能夠以很少的錯誤進行，到達探測器的訊號必須比探測器的內部噪聲大100倍。如果使用雪崩光電探測器。到達的訊號必須具有至少10-10瓦的功率水平。為了獲得最大範圍，我們。會選擇功率輸出為10-3瓦的雷射器，而不是功率低一個數量級的LED。正如我們所見。使用數字編碼，允許光透過光纖的最大衰減係數為107或70分貝。由於目前生產的光纖的衰減小於每公里5分貝。我們可以預期在放大之前，在14公里的距離內可以獲得令人滿意的傳輸。（如果每公里衰減僅為1分貝的光纖得到完善。範圍可以擴充套件到70公里。）實際上，似乎不大可能獲得連續長度遠大於幾公里的光纖。因此，在兩根光纖的連線處引入的額外損耗必須新增到損耗數字中。目前的插頭型聯結器引入的損耗約為0.5分貝。如果14公里路線需要六個聯結器。則額外損耗僅為3分貝。（透過將路線縮短五分之三公里，可以將總損耗保持在70分貝以內。）
選擇了光源、探測器和光纖之後。光導系統的資訊處理能力將如何？由於希望以儘可能高的位元率傳輸。因此必須考慮許多因素。正如我們所見。探測器的噪聲水平隨著位元率的增加而增加。因此，如果訊號功率剛好足以以每秒106個脈衝的速度傳輸。則必須將其提高100倍才能以每秒108位元的速度傳輸。此外。隨著脈衝越來越短，彼此之間越來越靠近，它們在光纖中傳播時的展寬成為重要的限制因素。
為了簡化計算，讓我們稍微武斷地決定，脈衝展寬將不超過連續脈衝之間間隔的一半。在漸變折射率光纖中，由於模式色散（路徑長度的差異）引起的脈衝展寬量約為每公里10-9秒。這意味著如果嘗試傳輸
每秒109個脈衝。展寬相當於脈衝峰值之間的整個間隔。因此，為了保持一半間隔的分離，信令速率不能超過0.5 X 109或5 X 108個脈衝/秒。如果我們有雷射光源，這就是極限，雷射光源幾乎是單色的，因此可以忽略由於波長色散引起的脈衝展寬。
但是，如果我們選擇LED光源。波長色散將成為信令速率的限制因素。對於LED，波長色散量為每公里3.5 X 10-9秒，比模式色散大3.5倍。為了將展寬保持在連續脈衝之間間隔的一半以下，使用LED光源的信令速率必須略低於雷射器允許速率的三分之一，即每秒1.4 X 108個脈衝。自然地，隨著所需傳輸距離的增加，信令速率必須成比例地降低。例如，對於10公里的標稱傳輸距離，雷射光源的速率必須降低十倍，降至每秒5 X 107個脈衝，或大約為芝加哥裝置實際選擇的速率（4.47 X 107）。這些簡單的計算說明了利用當今技術可以實現的目標，也使人們對範圍、容量和裝置複雜性之間可以做出的各種設計選擇有所瞭解。毫無疑問，未來會有顯著改進。
新型光導技術在許多領域展現出極具前景的應用。例如，電視訊號可以輕鬆地透過單根光纖進行傳輸，這為娛樂和商業應用開闢了新的可能性。建築物可以使用幾乎隱形的纖細光纖進行“佈線”，從而提供內部通訊服務。計算機的各個部件可以使用光纖進行互連。然而，在電話通訊領域，人們可以預見，最早期的重要應用將出現在這裡。
如今，連線城市電話交換中心的大部分銅纜都鋪設在地下管道中，而地下管道空間非常寶貴。增加新的管道空間既昂貴又不方便。光波通訊系統以其高容量和小尺寸，可以更好地利用現有的地下管道，並有助於延緩新建管道的需求。此外，由於許多城市中相鄰的交換中心相距不到七公里，光波系統可能不需要在人孔中安裝任何放大器來增強典型線路上的訊號。
在芝加哥的裝置完成之前，貝爾實驗室和西電公司去年在亞特蘭大模擬現場條件下測試了一個原型光波系統。兩條640米長的光導電纜，每條包含144根光纖，被拉入標準的地下管道，並進行了模擬典型城市電信環境的測試。安裝工作沒有損壞任何光纖，並且需要透過急彎的拉拔操作沒有降低光導的效能。與目前的芝加哥系統一樣，每對光纖承載了相當於672個雙向語音通道的容量。光源是砷化鎵鋁雷射器，工作速率為每秒4470萬位元。在接收端，光脈衝被雪崩光電探測器轉換為電訊號。作為亞特蘭大實驗的一部分，一些單獨光纖的末端被連線起來，形成了一條約70公里長的連續通訊路徑。藉助11個再生器或放大器，在整個路徑上，在一個方向上實現了幾乎無差錯的持續傳輸。芝加哥的裝置與亞特蘭大的實驗系統非常相似，只是除了雷射器之外，還使用了LED作為光源。
除了提到未來預期會降低光纖損耗之外，我在這裡描述的一切都基於當前的技術。如果認為我們不會見證進一步的巨大發展，那將與以往的所有經驗相悖。例如，許多工業界和大學的研究人員正在進行整合光學實驗，其中包括在薄膜內處理光訊號的技術，這相當於整合微電子電路的光學等效物。這種光學電路有朝一日可能會消除沿傳輸路徑上的放大器中光脈衝與電訊號之間相互轉換的需求。此外，理論和實驗工作都在進行中，以研究直接切換光脈衝的可能性，從而無需首先將光訊號轉換為其電等效物。人們希望開發出光學開關來取代目前的機電和電子裝置，從而使電話呼叫能夠以比以往任何時候都更大的數量和更高的速度進行連線。