光通信起源于烽火台。而将旗语、灯光明灭等最原始的通信方法一举实现现代化的则是激光通信。使光通信能付诸实用的前奏是半导体激光的发现、PCM通信技术的发展以及光纤维的应用等技术上的划时代进展。

光通信的历史

谈到光通信，也许人们会产生这样的印象：它是一种以前没有过的、完全陌生的新技术。当然，如果这里仅是指光纤维通信，那确是近年来才出现的新事物；然而，要是我们追根究底，就不难发现，光通信还是一种最古老的通信方式。

很久很久以前，在很长的一段历史时期内所利用的光通信是狼烟。据传说，燃烧干燥的狼粪，能发出漆黑的烟。由于它在风中也能笔直上升，所以在远处仍能清楚地看见，这就是狼烟一词的由来。切不可小看狼烟的作用。要知道，在只有靠徒步或骑马传递消息的时代，由于在国土的每一个角落设置了狼烟通信网，君主才能顺利地统治辽阔的国土。

在十八至十九世纪，臂板式信号机组成的通信网大概相当发达，这也是光通信。在大仲马的《基度山伯爵》—书中，就有这样一段故事：基度山伯爵收买了臂板信号机的信号手，让他发出假情报，从而使出卖过自己的邓格拉斯男爵在投机市场上遭受重大损失。伯爵以此来进行复仇。

军舰之间的通信在不久前（甚至直到今天）还应用着旗语和灯光信号，对此我们都留有很深的印象。

这些通信手段虽然都利用了光，但内容毕竟是极原始的，因而不能在现代化的通信技术相提并论。

对于现代通信技术之一的光通信，其实早在激光之前，就已进行了多方面的研究。在日本，已故的清宫博在1936年就提出了光纤维通信的特别申请。

但是，这些先驱性的研究，由于没有获得适当的光源而收效甚微。其结果，只能是等待新光源——也就是现在的激光——的问世。

即使进入了激光时代，光通信也不可能马上成熟。从发明激光到现在，大约已经历了二十个年头，在这二十年内对激光通信的研究，已几经迂回曲折。有许多初看起来似乎难以成功的研究，恰构成了今天激光通信技术的基础。

激光与光通信

在激光的几种应用中，光通信最为明白易懂。一言以蔽之，光通信就是以激光作为光源的“光线电话”。事实上，一出现激光，光通信就被认定是激光的一种重要应用；这就是说，研究激光通信和寻找激光几乎是同时起步的。电气通信从长波、中波开始，经过短波、超短波、微波，逐渐向高频方向扩展。正当研究从微波转向毫米波的时候，激光问世；于是在毫米波之后，就自然地发展到了激光。应用完全不同于毫米波的新的通信介质——激光的光通信，激起了许多通信专家的幻想和希望。

下面三个领域中的巨大进展，使激光通信的实用化成为可能：

1）半导体激光；2）光纤维；3）PCM通信技术。

从激光的性质来说，气体激光、固体激光比现在的半导体激光更接近电波。（最近，正在制造一种半导体激光，它也可以发出类似气体激光的光。）在还不知半导体激光将来究竟如何发展的今天，用气体激光来进行的光通信研究，可以说是把激光当作电波来处理的；也就是把激光看作频率非常高的电波。对它如何进行调制和检波，以什么样的调制方法为好，什么材料适于用作检波器等等问题，已研究得很多；光外差法的研究也正在进行之中。

由于光的频率过高这一不可回避的事实，如果把光单纯地看作电波领域的拓广，还难以奏效。幸运的是，正在这时PCM通信技术蓬勃发展起来。PCM作为通信技术，不仅具有很高的水平，而且从调制信息载体——电流和光的角度来看，反而容易实现；简单地说，就是只要进行脉冲调制（也即强度调制）就行。正当人们在为光过高的频率发愁的时候，这一难能可贵的通信技术却已作好了准备，正等待我们去应用。说来也凑巧，能够从激光中提取数百兆赫兹的高速光脉冲列的模同步技术，也正好在那时应运而生，同时还找到了能检出高速光脉冲的光检波器。组合了这些内容的光PCM通信系统，进行了多种试验，其风行之势真如光通信时代马上就要到来一般。这大约是六十年代末到七十年代初的情况。

在这一时期，通信器件几乎都被晶体管化，体积和所消耗的电能都渐渐变小。与此相比，气体激光与固体激光就显得太大，它们在实验室的桌子上还算相称，而在实用性的通信机中，则实在难以容纳；它们还要消耗大电力、高电压。因此，和其它电路一样，激光也需要小型化、半导体化。但在当时，半导体激光在室温条件下还不能产生连续振荡。1970年，当时还在贝尔研究所的林严雄（现日本电气中央研究所）等，提出了具有双外差构造的半导体激光的室温连续振荡报告。以此为契机，以激光通信的实用化为目标的潮流开始形成。然而问题并未完全解决。尽管能进行室温连续振荡，但当时半导体激光的寿命只有几小时，根本无法投入应用。如何才能延长其寿命呢？激烈的研究竞争，遂以国际性的规模展开。1973年，林严雄以及贝尔研究所的研究人员，揭示了半导体激光的劣化是由于结晶中位错网的成长；进而证实了可通过去除位错源的方法，达到一万小时以上的寿命。于是，大大加快了把激光通信投入应用的步伐。

即使在现在，半导体激光用于通信也不是没有缺点。虽说寿命延长了，但还很不够；在激光特性上，不少地方也有待改进。事实上，在现在的光通信系统中，半导体激光在特性上的种种不完美之处，是通过电路技术方法来加以弥补的；在很多方面，人们正期待着半导体激光的进步。

传播光的媒质——光纤维

光纤维与半导体激光并驾齐驱，促使激光通信实用化；光纤维所起的作用，甚至比半导体激光还要大些。

激光具有极好的方向性，即使不用特别的通路，也能正确无误地穿越空间，因此能够进行相当长距离的通信。实际上，这种在大气中传导的激光通信，早在光纤维出现之前就进行过多种试验，有的现在还作为小规模简易通信系统在使用着。然而，在大气中传导，其传导特性无疑会明显地受到气象条件的影响。同时，由于它只能在易于瞭望的地方使用，所以使用范围也明显地受到限制。作为一种例外，有人主张在宇宙站之间以及宇宙与地球之间的通信上，可采用空间传导的光通信；如果说在这种场合也要使用光纤维，未免过于勉强——然而，有许多以前认为无法办到的事情，如今已逐渐成了现实，所以，将来也可能用光纤维去连接人造卫星与宇宙站。

所谓电介质波导，就是用电解质的棒和板来代替金属波导管，从而传导电波。为了寻求微波和毫米波的新波导，已进行了大量研究和试制工作。激光既然是超超高频波，那么电解质波导对于激光，也如同对于微波和毫米波那样，理应是可能的。不是已经有了传导非激光的普通不相干光的纤维光学吗？（肯定有很多人因拍胃片而得益于纤维胃镜。）正因为这样一种理由，在六十年代中期，就有人提出了将光纤维用作激光传输线路的基本想法；但实现这种主张，却花费了很长的时间。

玻璃是透明的，但从侧面看却只能看到蓝色，根本看不到对面。玻璃板之所以透明，是因为它很薄的缘故。如果制造一块厚达1米的玻璃板，光线就会在玻璃板内部被全部吸收，也根本看不到对面。用这样的玻璃材料，即使制成了光传输线路，也肯定不能传出几十厘米。若要用作光通信线路，最起码也要能把光传出数十公里。这样的基本思想毋庸赘述，但要把想法真正付诸实现，那就必须努力。

用于长距离传输激光的光传输线路，也就是光纤维，于1968年问世。这是件破天荒的大事。但当时这种纤维的传导损失，高达500 dB/km，当然不能使用。为了减小它的传导损失，经过反复努力，现在已达到了传导损失在5 dB/km以下。这个值意味着从1公里厚玻璃板中透过来的光，减弱到了原来光强度的30%，这种程度的传导损失，已足以看见1公里处的目标。但还不能满足长距离通信要求。

单靠想象固然不能有所作为；然而飞跃性的进步却离不开想象。物质之所以吸收光，是因为它有原子存在；如果存在着各种各样的原子，就会增强它的吸收作用。因此，要减少对光的吸收，就必须去除多余的原子——也即不纯物。但玻璃本身就含有很多种原子，所以，除去不纯物也绝不是件容易的事。人所共知，玻璃和熔融石英都是用窑业的方法制造的。到1970年终于突破常规，根据以往在制作高纯度半导体结晶和薄膜时采用的化学气相分析法（CVD），制造出了损耗为20 dB/km的二氧化硅纤维。这又迈出了关键性的一步。此后，人们对光纤维的兴趣，都集中到了二氧化硅纤维上来。在应用了二氧化硅纤维以后，传导过程中的损耗正在不断下降，现在为1～2 dB/km（用于镓铝砷半导体激光，其波长为8500?）；甚至可减小到0.2～0.5 dB/km（用于铟镓砷磷半导体激光，其波长为1.3μ），这已接近理论计算的极限值。达到了这种程度的激光媒质，就基本上具备了相当于空气的透明度。由于完成了这样低损耗的光纤维，激光通信终于进入了一个新阶段——可以严肃地来考虑它的实际应用了。

迎接实用化的光通信

在很长一段时间里，对激光研究者来说，激光通信还是个虚无缥缈的、“将来的课题”而现在却已成了现实。正如前面所说，这完全依赖于半导体激光和光纤维的进步。正因为如此，半导体激光的研究者再也不能埋头在研究室内闭门造车、把它的实际应用看作是将来的事；半导体激光作为激光虽远未成熟，但已被引进了实用领域。现实是最严格的老师，因此真正了不起的工作还在今后。

半导体激光不同于其它激光，由于直接调制驱动电流，高速光调制能达到数百兆赫兹，所以光调制器可以不要。当然，凡事难得十全十美，直接调制也产生了一些问题，如发生缓和振荡、振荡光谱的扩张等。尽管有这些问题，能直接调制这一优点还是最为难得；更何况半导体激光今后也必将日益完善。

应用了半导体激光的光纤维通信系统，正从实验阶段一步跨入实际应用。作为传导线路的光纤维，与同轴电缆和波导管等相比，具有以下特点：

1）不存在电磁感应和相互干扰问题；2）重量轻、直径细；3）频带宽（每km几十兆赫～几万兆赫）；4）损耗小（每km几个dB以下）。

由于具备这些长处，光纤维通信不仅在通信，而且在电力、广播、军用、计算机等领域内广为应用。

在通信方面，日本电气公司的横须贺电气通信研究所和茨城电气通信研究所，正在东京都的一个20公里区间上进行光电缆传导方式的第一次现场试验。这是一次有名的试验，已为世界所知。该试验并非无中继，而是以几公里～十公里为间隔设立中继器。光源以半导体激光为主体，但也使用了不少发光二极管。实际传送的信号是32 M比特和100 M比特的数字信号和模拟调制彩色电视信号。这个实地试验仍在进行之中，在试验的初期阶段已获良好结果。别的国家也有例子。美国的贝尔研究所正在芝加哥市内进行44.7 M比特的光通信系统的商用试验。以此为中心，贝尔系统以外独立的电话公司及各国政府，也都在实行光通信系统的实验计划。

通信以外的领域，电力公司也早就热心于光纤维通信的引进。在大城市，超高压输送电缆贯穿在地下的管道中。而用来输送控制、监视、系统保护信号的同轴电缆，往往就和高压线并行铺设。但是，由于边上就是超高压输送电线，所以在出现事故等情况时，发生的波动或感应杂音都非常大。为了防止这种情况，同轴电缆必须严密屏蔽。即使如此，还是很难完全消除杂音影响；此外，这种同轴电缆的价格昂贵。电力用通信经常有这种波动及感应杂音问题，所以引进光纤维很有意义。应用光纤维还可以使两点间电气绝缘，这也是一个优点。因此可以认为，电力系统是光纤维最能发挥特长的领域之一。

将光纤维通信利用到计算机、外部设备、终端装置、电子交换机等的连接中，就能保持相互间的电气绝缘，这正是光通信的可取之处。用在这种场合，往往以发光二极管作光源，较少应用半导体激光。

在别国，在有线电视中引进光纤维通信的动向也值得注意。日本也有几例。例如东生驹制造的Hi-OVIS就很有名，它不仅在单纯的有线电视中，而且在连结一个共同体的生活图像情报系统中，也引进了光纤维通信。

光纤维通信，也将应用到飞机、轮船的通信中去。光纤维的小型、轻量、受环境干扰少这些特征都能在这里得到有效的利用。

今后的课题

不用说，半导体激光作为通信用激光还远未成熟；甚至连激光本身，都还有许多工作要做。只要看对半导体激光的构造，已有那么多不同的方案，就足以说明半导体激光作为一种设备还尚未完成。因为作为一种有明确目的设备，可以有许多不同的构造并存，无论怎么说，总不是成熟的标志。

半导体激光是激光，同时又是半导体设备。这就需要从两个方面进行探索。从前，从半导体设备方面着眼较多，但作者认为，今后更应该注意的是激光这一侧面。

半导体激光应用在通信上，对它的各项特性要求就十分严格，因而特别需要从上述两个方面同时进行工作。

〔科学と技术（日），1979年7月〕