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本科生科研指南(73):信息传递方式的变迁及光纤通信 精选

已有 4635 次阅读 2021-2-12 07:00 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得

 

 

本科生科研指南(73):信息传递方式的变迁及光纤通信

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

对全人类来说,只有一种共同利益,那就是科学的进步。

----克劳德·昂利·圣西门(Claude-Henri de Rouvroy, Comte de Saint-Simon,1760-1825年)

 

新年期间,网络的发展让我们足不出户便可以通过视频语音等方式迅速地完成拜年。实际上,从古至今,信息传递的方式经历了漫长的演化。在中国古代,烽火是较早的传递信息的方式。当敌人聚集并准备攻打要隘之时,守卫便会点燃烽火,又被称为“狼烟”,下一个要隘的守卫看到了烽火之后,也会点燃已准备好的燃烧物,信息就这样不停地传递下去,方便即刻集结部队准备迎战。很明显,这种信息传递方式的效率是非常的,其所传播的信息非常有限,只能够知道敌人来攻击了,但来了多少人、哪里来的、目的为何等却均无法体现。此外,如果被不当使用,就会变成“烽火戏诸侯”了。在古代,其他的信息传递方式还包括飞鸽传书,其缺点是准确性低,并且传书一般都要花上个把月的时间。

 

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图一 网络拜年主题漫画

 

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图二 烽火狼烟示意图

 

对于重要的军情,如果单纯用烽火或者飞鸽传书会很大程度上贻误战机。为了应对军事上的需要,驿站便出现了,它是我国古代特有的信息传递方式。驿站起源于周代,终止于1914年,前后在我国沿袭了一千余年,在重要的信息通信上发挥了不可替代的作用。

我国历朝历代几乎都非常重视驿站的建设。以唐朝为例,当时全国共设立了驿站1,639个,遍布全国,专职人员2万余人。行政管理方面,中央层次专门设立了兵部驾部郎中进行集中管辖,并在节度使下设馆驿巡官4人方便本地区管理,而各县则由县令负责驿站事务,由此可见唐朝对于驿站建设的重视程度之高。驿站的功能非常丰富,可以全面地为途经的传递信息人员提供食宿、马匹等供给保障。从唐朝期间的军情传递速度可以看出驿站的重要性。公元755年12月16日,安禄山于范阳(即今天的北京)起兵谋反,6日后该消息以极快的速度被传递到了相隔3000里的首都长安(今天的西安),可见驿站传递速度之快。当然,唐朝的衰败也可以从驿站中管窥。正如杜牧《过华清宫》绝句所言“长安回望绣成堆,山顶千门次第开。一骑红尘妃子笑,无人知是荔枝来”,驿站后来被用来帮助运送杨贵妃的荔枝,甚为可惜。到了清朝时期,驿站仍然非常发达,共设驿站计1,785处,规定日行300里。正如《雍正王朝》等反映清朝政治的电视剧所言,重要的军国大事可以通过驿站进行极其快速的传递,俗称六百里加急或者“八百里加急,传递兵和马匹则因此而极尽疲劳。对于民间的信息传递,主要是依靠书信,跟现在的邮局非常类似。

 

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图三 古代驿站示意图

 

报纸、电报、传真、电话等发明的出现很大程度上丰富了信息传递的方式,并沿袭至今。后续,光纤的发明极大地改变了我们的通讯方式和信息传递速度。与基于调制解调器的铜制电话线相比,光纤通信在速度价格抗干扰性等方面具有绝对的优势。1966年7月,华人科学家高锟便发表了一篇学术论文,首次提出了玻璃纤维可以作为光传播的介质并用于信息通信,前提是需要严格控制玻璃纤维中的杂质浓度以大幅度减少信号的衰减。后来,在他的带领下,业内终于在1970年解决了玻璃杂质所带来的问题,制作出了衰减极低的、可实用化的光纤。1981年,世界上第一个商用光纤通信系统正式建成,其传输速度远远高于电话线的通信速度。自此,光纤技术成为通信领域的主流技术,并得到大规模的推广应用。今天,当同学们畅享网络时代带来的诸多便利之时,很大程度上得益于光纤的普及。此外,光纤在医疗领域也有着诸多应用,是远程医疗的重要基础设施,同时也是采用内窥镜等进行肠道和胃镜检查的重要信号传输载体

 

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图四 光纤示意图

  

实际上,光纤的研发之路并非一番风顺,其中的故事值得本科生在进行科研创新之时多加体会。在初期,业界普遍不看好该技术,认为高锟的理论是天方夜谭,技术上完全不可行,以至于业界普遍对该技术缺少兴趣,更不愿意投资进行研发工作。在这种形势下,高锟持之以恒地赴玻璃制造商处进行大量的调研沟通,并亲自动手实践,脚踏实地地了解玻璃制造工艺,探析造成光信号损耗的原因,并最终解决了该问题。对于一项新技术,尤其是划时代的技术,其创新性通常不会被同行所理解、信服。在科技创新中,应保持开放、包容的心态,对所存在的壁垒开展积极思考,有目的地进行调研和实践,方能有实质性、从0到1的突破。




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