科普:加大带宽就能提高网速吗?

说起“光纤通信”，相信大家并不陌生。毕竟对于活跃在互联网时代的我们来说，“光纤入户”早已不是一句口号，而是成为了日常生活中真正的一部分。

如今，不少人尤其是青少年朋友们，享受着光纤通信高速度的同时，可能很难想象十年之前看低清晰度视频都会有卡顿的情景。因为那时的“宽带”还依赖于电话线，通过一种名为“ADSL”的技术实现，因此网速很有限。

“小汽车”与“大货车”

很多人对光纤通信有一些误解，误以为之所以光纤通信比电缆通信等方式上网速度更快，是因为光的物理传播速度更快。但实际上，电缆通信中的电信号也是以光速进行传播的。光纤通信速率高于电缆通信的真正原因是光的频率更高，因此能够加载的信息量更大，也就是我们常说的带宽更大。

举个不那么恰当的例子，这就像是一边是小汽车，一边是大货车，即便车速相等，但单位时间内运送的货物量却不可同日而语。这个例子中，车的速度类比的是光的传播速度，而车的载货量类比的则是带宽。

▲车速相同时，小汽车与大货车单位时间内的运货量不可同日而语。电缆通信与光纤通信的比较也是同理

虽然理论上通信使用的光频率越高、波长越短，信息加载的容量就会越高，但是现实中光纤通信使用的却是近红外光波（如波长1.55μm左右），而不是频率更高的可见光。这是科学家综合考虑光波长、光纤损耗、光源稳定性、综合成本等诸多因素后做出的选择。比如，目前用于光通信的光纤对1.55μm几乎完全透明，损耗相对较低；在光纤中掺杂一部分稀土元素铒，则可以对1.55μm的入射光起到一定的放大作用，制成光纤信号放大器，实现信号的远距离传输。

随着互联网的蓬勃发展，人们对通信速率的要求越来越高，因此科学家也对光纤通信技术进行了多次革新。上文中笔者提到，将电缆换成光纤就像是将小汽车换成了大货车。但大货车的载货量也是有限的，为了进一步提高通信速率，科学家想到了拓展信道的方法，就像是将狭窄的单车道换成了多个车道的宽马路。

▲类比大货车的拓展信道的方法

光通信发展前景

除了利用光的高频率之外，光的其他特性也被充分利用起来，如波长、相位、偏振等。其中，比较典型的技术之一就是“波分复用”技术。波分复用中使用的各个波长就是独立的信道，相互之间不会干扰，因此可以大大提高光纤通信的速率。除了将不同波长作为不同的信道，光的偏振也可以成为拓展信道的方法。因为光可以分解为正交的两种偏振光，因此在波分复用的基础上，信道数量又可以扩展两倍。

近年来，科学家利用螺旋相位分布的轨道角动量光束，提出了一种理论上可以无限拓展信道的方法。轨道角动量是电磁波的一种固有属性，使得电磁波传播过程中呈现螺旋型的相位结构。我们可以用“拓扑荷值”（一般用Ⅰ表示）来表述相位旋转的快慢，不同拓扑荷值的光波传播相互之间不受影响，因此可以作为独立的信道。由于拓扑荷值可以取任意的整数值，因此理论上利用轨道角动量光束可以无限拓展光通信的信道，极大地提高通信速率。这也是如今光通信领域的研究热点。

▲利用螺旋相位分布的轨道角动量光束拓展信道原理图

经历了几十年的发展，光纤通信技术早已改变了世界的格局，让我们足不出户就可以访遍全球，“地球村”变得名副其实。但是要注意的是，无论光通信的带宽如何增加、信道如何拓展，信号的延迟依然会存在。这是由于光速虽然极快，但仍是一个有限的数值，如A地发出的信号依然要经历一段时间延迟才能够到达B地，所以光通信中信号的延迟与通信速率是两个完全不同的概念。例如，大家将家里的宽带从10M升级为100M光纤，那么文件下载速度会明显提升；但玩同一款网络游戏、分别选择国服（中国服务器）和美服（美国服务器）时，会发现美服的延迟比国服大很多，这是由于美服在大洋彼岸，距离太远的缘故。

这种延迟一般情况下我们都不会在意，但在一些特殊场合却显得至关重要，一个典型的例子就是金融业的高频交易领域。高频交易使用计算机软件算法进行自动操作，任何一点延时都会影响最终的结果。若是你能够比竞争对手早一点获取信息，那么在竞争中则会占据优势。历史上一些投资人在芝加哥期货市场和纽约证券交易所之间铺设了一条1300千米的光纤线路，只是为了缩短3毫秒的延迟，获取一点点交易上的优势。

总之，光通信技术除了追求高速率之外，也在根据实际应用场合发展成多种形态。相信未来光通信会为我们建立一个更加便捷、美丽的新世界。