当光波在通信网络中取代电子处理信号时，纤维光学将会发挥出更大的效用

现代的纤维光学网络传输声音、视频信号以及数据的速度要比在电信业中已使用了一个多世纪的标准铜线快10~100倍，然而，要完全实现纤维光学网络的潜力还需要走很长的路。

要实现纤维光学的潜力，不应该只是简单地用纤细的、圆柱型的、能导光的玻璃导线取代电话铜线。事实上，在光传输上，一定要突破先前的电子技术给通信网络所带来的限制。

在现代纤维光学网络中，每当光脉冲被放大、切换、输入或输出网络时，必须要转换为一束用来处理信号的电子流。这种光电转换会阻碍极高速通信的运行。一条极高速的网络必须备有更昂贵、复杂的电子设备，而且更难处理可在一秒钟内传输数百亿比特数字信号的、较小的光脉冲。超过了一定的传输速度（约每秒500亿比特），电子设备很难操纵电子与光波相互间不断进行的转换工作。

利用光波固有的特性，可使信息沿着网络中不同的路径传送，从而可使把光信号从网络的一端传送另一端的操作过程变得更简单、更快速、费用更低。只是当信号进入计算机线路或是仍使用以电子器件进行信号处理的低速网络时，光信号才转换为电子信号。

全光网络将会基于纤维光学网络取得成功的基础之上，此网络当前正在进行商业铺设并使用了光电器件进行信号处理。例如，远距离电信公司所拥有的商用光缆能以数字形式传送电话和视频图像，每根光纤每秒可传输25亿比特的数字信息。这种每秒能传输多个10亿比特信息的速度快得足以在一秒的时间内把一本大英百科全书从海洋的一边传输到海洋的另一边。但如果通信的需求急剧增长，使用光电器件最终必将限制这种网络传送更多信息的能力。

尽管信息容量巨大的这种通信网络已经存在，但是人们甚至还会怀疑有无必要进一步研究把网络容量提高100倍的技术。事实上，在90年代初期，美国主要电信公司的财政官员们就以网络的信息容量明显过剩、大大超过了市场的需求为由削减了光纤通讯研究的预算，这实际上导致了美国光纤通讯研究部门的萎缩。

尽管存在这种可怕的预测，但高速光纤通信的革命也许才刚刚开始。数字视频图像市场的出现能使最快的商用光纤通讯网络陷于瘫痪。数字视频图像的传送需要纤维网络的容量或带宽相当于在网络中传输常规电话所需容量的500倍。

这种网络要能容纳极大量的数据流。已设想建立容量足够大的在线图书馆，它们可以装下国会图书馆里的全部书籍以及所有的视听档案资料。一个每秒能传输10000亿比特信息的通信网络可把一家研究图书馆里的全部资料提供给每一个家庭、学校、办公室和实验室。

要把设想转变成现实，物理学家和工程师必须研究能更充分地利用一根光纤通信容量的方法。理论上讲，单根光纤可以在一秒钟内传送25万亿比特的信息，容量之大可以同时传输母亲节那天美国的所有电话信号，但一条光纤的实际传输速度受到极大的限制：一方面代表数字0和1的光脉冲经过远距离传送后会发生改变而丧失其原来的形状，另一方面缺少能以这样高的速度进行信息处理的光学器件。最近的研究进展表明更多地开发使用网络中未曾利用的带宽是大有希望的。

技术里程碑

现行许多研究工作试图建立在过去10年中光通讯最重要的发展基础之上 :光学放大器。这种光学器件并不需要把信号经过通常的光电转换就可以使它们的功率恢复到原来的强度。在光学放大器中，铒离子被掺入光纤的玻璃中，当受到激光激励时，被激活的铒离子使得经数十公里传播后强度减弱的光学信号恢复如初。最近用于商业网络上的光学放大器已显示极高速网络的优越性能 :与电子放大器不同的是，光学放大器可以放大传输速度大于每秒500亿比特的数据信号，又可以同时提高许多光波的功率。

光学复用技术可以更有效地使用一根光纤，因为分开传送数据的信号可以通过同一根光纤传送，复用技术之所以很重要，是因为对未来网络容量有极大的需求，例如，如图像没有经过压缩的话，高分辨率图像的电视节目就能占据每秒数十亿比特的带宽。最简单的一种光学复用技术称为波分复用技术，它类似于无线电广播。这一网络中的每台发射机都含有一台激光器，这台激光器可以被调谐到能发送一定波长或颜色的光波来传送信号。

如同晶体管收音机可被调谐到接收一定频率的电波一样，光电接收机也可以被调谐到接收所需波长的光波。AT&T在实验室中显示了这种把信号组合起来的方法可使用多达17种不同波长的光波，每一条以每秒200亿比特的速度——总的信息容量是每秒3400亿比特——传输信息达90多公里。

建立支网络

尽管光纤具有巨大的潜力，然而运用光波广播方案的网络，其容量还是会被占满的，在信号间不会相互发生干扰的情况下，相邻波长的光波只能传输有限数量的视频信号。为了避免信号间发生相互干扰，一条取自光谱未占用部分的“防护带”光波必须置于两条传输信号的光波之间，“防护带”的引入降低了网络有用的带宽。

由于一条网络的容量可以被占满，因此它得被划分为许多不同的部分，每一部分称为支网络。在一条支网络传输信号的光波可以被重新设置在另一条支网络中独立传输信息。这与广播媒体相类似 :位于洛杉矶的—家广播电台所用的频率可以与纽约的一家电台一样而互不干扰。

依据这些理论，建立一条真正的网络会遇到许多技术难点。1995年3月，一个由数字设备公司、麻省理工学院和AT&T组建的联合体，演示了把众多支网络联结在一起的波分复用技术。这一建立在马萨诸塞州东部的网络中的每根光纤能传播20种波长的光波，而每一波长的光波能以每秒高达100多亿比特的速度传输数字数据，预计在1995年夏季，这条网络可延伸，从而把位于新泽西州克莱德山的AT&T的一家实验室也包括进去。

由美国国防部高级研究规划局（APPA）资助，AT&T和数字设备公司附加投资的全光网络方案已经试验了用于波分复用技术的关键器件——在同一光纤中能发送、接收特定光波的激光器和滤波器件。

—种能把从一条支网络传入另一条支网络的信号切换到不同光纤中的全光方法也已开发出来。类似于棱镜称为路由器的转换器件把在光纤中传播的光波衍射为其组分波长，在路由器的硅/玻璃结构中，每一波长的光波能沿不同的路径传达到多达20根输出光纤中的一根，从而把信号传输到目的地。这个联合体还试验了一种称为波长转换器的全光器件，它能改变光波的波长——如两个不同的信号传送因使用同一波C的光波而发生冲突时，这个器件就会有用。

除了马萨诸塞州的这个网络以外，其它有关波分复用技术的项目也已得到丁APPA的资助：IBM牵头了一个项目，Bell通讯研究实验室（Bellcore）主持了另一个项目，欧洲联盟的高级通讯研究发展计划（RACE）已着手研究这种技术，日本通讯巨头NTT也已开始行动。

波分复用技术可满足对视频通讯日益增长的需求。目前，两地间视频信号的传输得连续不断地耗费数小时。

然而还需要一种不同的网络方法把数据从一台计算机中传到另一台计算机中。与视频网络相比，计算机网络常常是以简短的、高速的突发方式把数据（如数字图片档案）从一地传到另一地。为丁能兼容这类通讯，计算机常常也是通过网络进行通讯的。数据在此网络中以称为数据包的分立单元形式从一位发送者传送到另一位接收者，一条信息可以分为许多不同的数据包，这些数据包可被切换到通向接收计算机的若干开路中的一条上。

经数据包切换的数据可以更快地被传输，费用更低，这是因为不必花费时间或网络资源来建立一条连接发送者和接收者的传输路径，每一数据包都带有一条地址，它既可指明它的目的地，又可以表明如何和其它邮包相配合，共同传输一条信息。数据包可通过网络中的若干路径中的任一条到达目的地，像拼成七巧板的许多小块一样，这些邮包在接收端被重新组合形成一条内容连贯的信息、

Internet的未来

数据包网络的电子形式最著名的可以说是Inter-net网络了，回顾一下有关光学数据包网络的研究进展，我们可以预测Internet网络的技术前景，在这种网络中，单一波长的光是由激光器发出的光脉冲，激光器的开关时间为一万亿分之一秒。光脉冲从激光器产生的速度如此之快以至于可以在一秒内传输100亿比特的数字信息（一个脉冲代表一个比特的信息），每一脉冲与同一激光器发出的10000条左右的脉冲组合在一起产生一个数据包。

应用波分复用技术建立起来的光学超高速公路，所遇到的主要困难之一是实现这些数据包的复用和切换时不必将它们转换为电子信号。一条光纤可以在一秒内传输1000亿比特的信息，但需要被划分为若干指定的时间区域，这样，10个用户可以各自一秒钟内传送100亿比特的信息。

每一信息发送者可以分配到一段时间区域，以每秒100亿比特的速度把数据包传送到网络中，或通过任何一段未占用的时间区域传输数据包。来自一发送得的数据包和其他发送者的数据包混在一起，它们可在各自的时间区域内传输。因为通信容量与时间而不是波长成比例，所以这种技术称为时分复用技术。

我们在麻省理工学院一直致力于研究有关基于复用技术的、速度为每秒1000亿比特的全光网络的技术工艺和设计，开发中的网络硬件包括了能每秒发送一亿亿个脉冲的激光器到能存储光脉冲的光学缓冲器。

在其中的一个课题中，我们已显示了从利用时分复用技术并能传输400亿比特数据的光纤中提取数据的方法。一个熟知的非线性光学回路镜可进行光学信号的处理，即能实现信息的复用、进行多路信息的分离、转换甚至存储，在进行多路信号分离时，非线性光学回路镜从速度为每秒400亿比特数据流的光纤中接收光脉冲。在由一段具有特殊材料性质的光纤组成的回路镜中，光学信号与激光器发出的另一串光脉冲发生作用。这些不同的光学脉冲串的相互作用产生了一个信号，此信号能把100亿比特的数据传输到另一光纤中。

同时，原先的信号回到原来的光纤中，它现在正传送剩下的300亿比特的数据。如果不需要进行多路信息的分离，那么光波将回到原来的光纤中而其强度没有改变，它仍传输完整的每秒400亿比特的数据，不只是麻省理工学院一家在进行这项研究，最近NNT也进行了类似的每秒能传输1000亿比特数据的试验。

光学回路镜也可用作数字处理器件，在对多路传输信号进行分离时，回路或是改变信号划中让信号保持不变——这种开关状态等同于数字逻辑中的0和1。把几个回路反射镜连在一起，就可以构成一种能读取数据包地址的逻辑器件。

网络设计人员把光学逻辑和多路信号分离器件结合在一起，构成了一基本的通讯开关。逻辑器件通过读取数据包的地址来决定是否需要把数据从传入的信号中取出来——如果需要这样的话，多路信号分离器就把希望取出的数据切换到几条输出光纤中的一条中，并通过此光纤把数量传送到相应的计算机或支网络中。

麻省理工学院的研究人员还用一条光纤构成了一光学存储器件——缓冲器——它能在光脉冲传到目的地瞬时地保留它们。在原型器件中，进入回路镜的信号经过一系列可以存储和调节信号的光学器件传播。称为孤子的光脉冲可提高这些器件对数据进行“缓冲”的能力，孤子可无限期地保持其状态下不变。孤子的这种抗退化的能力也适用于在光网络中进行长距离的信息传输。

未来的岁月里，全光网络面临着与电子网络的竞争，而电子网络的价格继续下降的同时其性能也会提高。不过，全光网络的优势是明显的，它具有如此大的容量，以至于视频信息和大量的计算机档案信息的交换可成为一种例行操作。拥有视频摄像机的人们把摄像机联入网络中，就可以使全国各地的亲戚通过视频线路参加孩子的生日庆祝会。事实上，人们只是才刚刚开始想象其带宽如电、煤气或水一样便宜的网络的用途。

[Scientific American，1995年9月］