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光纤电话服务的首次商用试验正在芝加哥进行。由微型固态光源产生的信号以脉冲形式在玻璃纤维中传输。
撰文／威拉德·博伊尔（Willard S. Boyle）
翻译／徐愚
本文作者威拉德·博伊尔因在电荷耦合器件方面的卓越成就，获得2009年诺贝尔物理学奖。本文刊发于《科学美国人》1977年第8期。
光导再生电路接收到经过光波通信系统传输的已衰减的光脉冲，再将之放大为很强的新脉冲，以便完成下一段传输路程。这张照片由贝尔实验室拍摄，图为放大电路的一部分以及传输再生脉冲的光纤。在图片下方可以看到，光纤从红色倾斜的光缆外壳中引出。光纤末端通过一滴环氧树脂粘在一个微型砷化镓激光器上。经过再生后的光脉冲在下次再生之前可传输14千米。在激光器上方的白色方块中有一个光电二极管，可收集激光的反向辐射，用以补偿温度变化对激光驱动电路的影响。
威拉德·博伊尔 ，加拿大物理学家，在麦吉尔大学获得博士学位，此后加入贝尔实验室。他不仅是数码相机图像感应器——感光半导体电荷耦合器件（CCD）的发明人之一，而且与他人合作发明了第一台红宝石连续激光器。
在本文刊发前3个月，贝尔系统公司开始对光纤通信系统进行商业评估，该系统可将信息编码为光脉冲，在只有发丝般粗细的玻璃纤维中传输。这个新系统可以通过长达1.5英里（约2.41千米）的地下线缆，在伊利诺伊州贝尔电话公司与芝加哥商业中心的一座大型商厦的两个交换局之间传输声音、数据和视频信号。此光导线缆直径仅为0.5英寸（约12.7毫米），其中有两根纤维束，每根各含12根纤维，合计24根纤维。每根纤维的信息容量为每秒44.7兆比特，意味着向纤维传输信息的光源会在1秒内开关4,470万次。在此脉冲频率下，单独一根纤维可传输672路单向语音信号，那么24根纤维就能传输12×672路（即8,064路）双向语音信号。若要用传统铜线达到相同的传输容量，线缆直径将会增加数倍。除上述技术优势外，光导系统还将节省大量铜材料，极大提高现有地下通信管网的潜在容量。
然而，把光作为通信介质并非什么新鲜事。毕竟，美国的印第安人早就通过释放烟雾发送信号，英国人也曾将篝火作为西班牙无敌舰队来犯的预警信号。在18世纪90年代，克劳德·沙普（Claude Chappe）建立了一套光学通信系统，由遍及法国境内山顶的旗语信号站组成。该通信系统据称能够在15分钟内将信息传输至200千米以外，而且被电报取代之前一直在运转。1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）发明了“光电话”，证明了语音可以通过光束传输。在这一系统中，贝尔将一束很窄的阳光聚焦于一块薄镜子上，镜子会因为人说话时产生的声波而振动，系统中的硒探测器捕获的光能会随着镜子的振动发生相应变化。这样一来，光束的变化就会引起硒的电阻变化，进而使电话接收器中的电流强度发生变化，最终在接收端转换为声波。直到第二次世界大战时期，海军舰艇仍经常使用携带莫尔斯码的光信号在舰艇间交换信息。
时至今日，技术的不断发展让人们可以用极高的频率调制光束，并将调制后的信号通过玻璃纤维传输数英里（1英里约为1.6千米），且能量损耗在可接受范围内。自1960年激光器问世以来，人们就对光波通信产生了浓厚的兴趣。激光器发射出的极强可见光和红外光近乎单色，频率范围要比无线电通信系统所使用的最高频率高出约10,000倍，拓展到了电磁波谱的新区域。由于传输信息的潜能会随着频率的增加而提升，因此通信工程师们已耗费数十年时间研发高频通信系统。自无线电通信出现以来，通信工程师将可用频率提升了5个数量级——从100千赫（每秒10万个周期）到10吉赫（每秒100亿个周期）。如今，激光器将频率再次提升4个数量级，达到100太赫（每秒100万亿个周期）。仅使用激光频谱范围中的一小部分，一套简单的光波系统理论上就能够同时承载北美地区所有人的电话通信。
然而，早期激光器效率低，可靠性差，即便是最好的系统也仅能运行几个月。此外，和微波中继系统相比，在大气层内发射点对点激光束的效果也很难让人满意，因为激光信号强度易受雾、霾、雨、雪的影响而衰减。事实上，相比于曼哈顿城区与郊区之间的激光传输，从美国亚利桑那州到月球的光脉冲传输的可靠性更好。
不过，随着科技的进步，激光发射器已经变得更加精巧、可靠，可以持久地产生激光，大气层内的传输也不再是唯一的方法。虽然在一些苛刻的应用条件下激光仍是首选光源，但在其他条件下，简单且廉价的设备——高亮度发光二极管就足以胜任。在大气层内传输光信号的各替代方案中，首个颇具前景的方案是将光学信号通过一个光管发出：这种精心制造的光管直径为1厘米左右，当光管需要弯曲时，其内部的光学信号也可以随之弯曲（因为管中不同位置的气体密度可以变化，进而改变光路上的折射率）。
光管面临许多实际应用问题，为了寻找替代方案，通信工程师们开始探索在玻璃纤维中传输光波的可能性。在某些情况下，玻璃或塑料纤维也可实现光的短距离传输，例如在照亮仪表盘或者做胃内检查时，但是这些材料的透明度不足以实现真正的光波通信。这些材料的透明度通常比水还略低一些，而最终用于通信的玻璃纤维应当拥有极高的透明度——假若海水像它一样透明，那么最深处的海底景象也可一览无余。
在考虑如何用激光、发光二极管、玻璃纤维构成通信系统之前，让我们先了解一下电话、摄像机或电脑中的信息是如何从源头转换成光线传输过来的。在传统的模拟信号传输系统中，原始信号的波形用于传输线中能量的振幅调制。现在，调制的则是由光源发出并在玻璃纤维中传输的光束振幅。在纤维末端，光电探测器将不同强度的光线转化为相应的电信号，经过放大的电信号将再现输入的电流波形，进而被眼睛、耳朵或者电脑这样的非生物设备接收。
模拟传输系统
光波通信系统可以通过多种方式发送信号。如上图所示，在最简单的“模拟”系统中，输入信号的振幅被直接转换成光纤内光束的振幅变化。接收端的光电探测器将光强变化转换成相应的电信号，进而被放大至可再现原始波形。在光纤传输中，信号强度随距离增加而以几何级数减小。而且，信号会逐渐衰减并失真，致使重现波形无法与原始波形精确匹配。解决此难题的有效方法是使用数字编码系统，如下图所示。
数字传输系统
数字编码因为在诸多方面优于调幅编码而被商用光波通信系统采用。在数字编码系统中，首先对输入波形（下图左）的波幅或高度以一定时间间隔进行电子采样（波形下的柱形）。为了精确表现波形，采样频率至少应为最高频率分量的2倍。因此，一个最高频率为每秒4,000个周期的声音信号，必须每秒采样8,000次（采样率应比图示中更高）。采样高度会被编码成二进制数字序列：一连串的0和1。在传输中，1可代表一个脉冲，而0可代表没有脉冲。
在一个典型的语音系统中，每个采样点的波形高度都被赋予0至255之间的一个值，由8位二进制数字表示（因为2 8 等于256）。因此，对时长1秒的语音波形进行采样，数字系统将需要64,000比特（8,000个采样点，每一个需要8比特）。1977年5月在芝加哥运行的光波通信系统中，作为信号源的光源运行速率达到了每秒44.7兆个脉冲，因而能够同时传输超过650路语音信号。虽然光脉冲在光纤传输过程中会衰减，但仍然能被清晰地再生（因为脉冲仅存在有无之别），并可用于重建高保真原始信号波形。
即便在制造最精良的光纤中，部分光线仍会由于吸收和散射而丢失，以致从光源到探测器的过程中，光信号强度呈几何级数下降。举例来说，光信号传输1,000米后，强度会衰减为初始值的一半；当光信号传输2,000米后，强度仅为初始值的1/4，以此类推。因此，在其他条件都相同的情况下，远距离传输过程中的光源强度应尽可能高，且探测器应尽可能灵敏。
目前，最符合此要求的设备分别是高强度激光器和拥有超级灵敏度的“雪崩”光电探测器，此类探测器可由入射光子激发电子雪崩。然而，人们已经认识到信号的最大传输范围更受限于光纤中的损耗，而非光源强度或者探测器灵敏度。举例来说，信号损耗减少1/2，将会使最大传输范围整整扩大2倍。而光源强度增加1倍时，最大传输范围仅增加了约10％（确切地讲，当光纤长度增加后损耗将会成倍增加）。
前面提到的模拟传输系统的主要缺点是，如果调幅信号在传输过程中发生任何形式的失真，并且其中一部分失真不可避免，这些失真就将会显现在接收器提取和放大的信号上。避免信号失真最有效的方法之一，就是在传输前将信号数字化。具体做法是在固定时间间隔对连续电子信号波进行振幅采样。如果想获得更精确的波形数据，那么采样频率应为最高频率的2倍。因此，若对最高频率为4,000赫的声音进行采样，那么只有达到每秒8,000次采样才能保证精准度。每个采样值被编码为二进制形式，用一系列的1和0表示。例如，1代表有光束脉冲，而0代表没有脉冲。在接收端，被探测到的光束脉冲信号将被用来重建原始信号波。
数字化传输的最大优势体现在对微弱信号的处理上。每个探测器都有固有的内部噪声，这会在一定程度上影响接收到的外部信号。因此，通信工程师们往往会谈及信噪比的问题。该比率的单位是分贝（dB），它的计算方式是取以10为底数的对数值。分贝是指两个功率的比值以10为底数取对数，再乘以10。例如，信噪比为20分贝意味着信号功率是噪声功率的100倍。由于数字脉冲只存在“有”或“没有”两种状态，所以在有明显噪声干扰的条件下也可保持较低的错误率。例如，在信噪比为21分贝的条件下，脉冲信号仅有十亿分之一的可能性会淹没于背景噪声之中。与此相对的是，对模拟信号来说，任何噪声都会使信息失真。为了能够再现令人满意的信号，信噪比应远高于21分贝。通常而言，信噪比应为60分贝，即信号功率是噪声功率的100万倍。
与模拟信号相比，数字传输系统具有更强的噪声容错能力，在不放大信号强度的情况下传输距离更远。数字传输另外一个巨大的优势在于数字脉冲易于被探测和再生。由于脉冲的微小失真并无太大影响，探测和再生衰减的脉冲对放大器要求较为宽松。
如今，越来越多的语音信号以数字脉冲的形式通过线缆或微波传输。对语音信号的采样高达每秒8,000次，每次采样的“高度”则被转换为8位二进制数字。由于8位二进制数字能够表示2 8 种（即256种）不同的振幅水平，因而足以精确描述原始波形。为了再现频带宽度为4,000赫的原始声波，数字系统必须能够每秒传输64,000个脉冲信号。而光波系统具有很大的频带宽度，这将有助于大幅提高信噪比性能，进而提高信号在不得不重建前的可传输距离。
由前文描述，我们可知，在实际的光波通信系统中，传播距离取决于信源强度、单位长度的光纤信号损耗、探测器的噪声水平，以及信号传输采用的调制或编码方式。系统频带容量（每秒脉冲数或其他信息容量测定方法）取决于信源开关转换速度、探测器响应速度，以及光纤脉冲传输特性。
目前，正在使用的光源有两种。第一种是小型计算器中发光二极管显示屏的改进版本。因为光波通信所需的光源不仅要比普通显示屏亮度更高，而且要在尺寸上与光纤相仿，其直径只有1毫米的几百分之一。在为光波通信设计的发光二极管表面有一个小孔，其作用是让光纤能够尽可能靠近半导体结中产生光线的有源区。光纤在红外波段的损耗最低，因而应选用一种可以发射红外线的半导体材料。目前选择的发光二极管由砷化镓制成，其发射波长约为0.8微米。虽然这已令人满意，但是如果波长能够再长一点儿将会更好。与目前光纤相匹配的、具有较好波长的半导体材料还在积极研发之中。
第二种光源是半导体激光二极管，它拥有比发光二极管更为复杂的结构。一个激光二极管比一粒盐还小，由数层含有不同成分的半导体材料组成。这种夹层结构有助于创造激光受激发射的必要条件。此结构不仅提供一个可以限制载流子重新结合并使之发光的区域，与此同时也有助于将光线引导至所需方向。
在一个激光器中连续布置多层材料，而不影响各层的晶体结构，这在以前是很难实现的。早期设备都因其发光效率迅速衰减而落下了坏名声，甚至有些设备仅能工作几个小时。随着新技术逐渐发展，在不造成晶层缺陷的情况下，构建复合结构已不是难事。加速老化试验表明，最近研发的设备可在室温条件下持续工作数年之久。不难想象，激光二极管最终会与其他固态装置一样稳定可靠。
激光光源有两个主要优势。第一个优势是指向性。由于激光器受激发射出狭窄的光束，因而大部分光束可直接进入光纤末端。第二个优势是高单色性，或者说波长范围很小，这是激光光源的典型特征。在光纤中的传输过程中，光线因波长不同会有传播速度上的略微差异，因此光纤脉冲展宽会因传输波长带宽大小而变化。相比于波长范围更大的发光二极管光源，激光光源能够将更高频率的脉冲传输至更远的距离。典型的激光二极管的光谱带宽只有20埃，而发光二极管的带宽为350埃，因而激光二极管更适合用于光导通信。在光纤中传输1,000米后，激光脉冲将会出现时间长度为200×10 -12 秒的色散，等同于光在玻璃中降速传播4厘米的色散。发光二极管光源色散约是激光的20倍，因为频谱纯度缺乏会导致色散，这将极大地限制脉冲频率，进而限制光波通信系统的信息容量。另一个主要限制是由于模式色散而导致的脉冲展宽，其原因是一些光线在光纤中传输的路径比别的光线稍长一些。正如我们将要探讨的，模式色散能够被极大降低，却不能被完全消除。
在光纤的设计中，纤芯具有比包层略高的折射率。因此，大部分光线是在二者交界面上不断地来回全反射回纤芯。除非光纤发生了过度弯曲，否则射线会如此无限反射下去。只有以大角度进入纤维中的光线才可能从中逃逸出来。如果纤芯具有一致的折射率（如上图），经多次反射的光线将沿较长路径行进，并且落在反射次数较少的光线之后。这一缺陷被称为模式色散，对此的解决方法是制造出向轴心方向折射率逐渐增大的光纤（如下图）。这样，距离轴心远的光线传输速率高于距离轴心近的光线。
为了实现光导所需的超高透明度，设计的光纤要让光线无法靠近其外表面，因为纤维外表面的灰尘、划痕或与其他表面接触都将会造成信号的严重丢失。每根光纤由三层组成。最外层通常为塑料保护层，使光纤免于刮擦和磨损。刮擦和磨损会降低纤维强度，导致纤维在压力下破损。在保护层内，玻璃纤维的纤芯外还有一层包层，纤芯的折射率比包层的折射率略高。由于这一略高的折射率，当从光纤端面以相对于中心轴较小入射角入射的光线到达纤芯与包层的界面时，会被反射回纤芯。以相对于中心轴较大入射角进入光纤的光线将直接溢出而不会被反射。从几何学角度来看，如果一束光线在第一次接触界面后被反射回纤芯，在光纤没有过度弯折的情况下，光线将会继续在其中无限地被反射。使用硬度较高的电缆护套认真包裹光纤束，可以避免光纤发生过度弯折。
至于前文提到的色散，可以这样形象地理解模式色散产生的原因：对于与中心轴平行的方向进入光纤的光线来说，其行程自然会比以一定角度进去并在其中多次反射的光线要短。因此，由不同路径的光线组成的光束会随时间而展宽。
为了克服这一缺点，如今许多纤芯的折射率是渐变或跃变的，以抵消光线传输带来的距离差。在此种光纤中，折射率随径向距离的增加而降低。在折射率较低的区域中，光线传输速度较快。因而可以通过径向折射率降低的方法，使得所有光线几乎同时到达目的地。在折射率相同的光纤中，脉冲展宽约为每千米25×10 -9 秒，相当于500厘米。对折射率渐变的光纤进行实地测试显示，色散减少了4％，实验室的样品则实现了1％的改进。
首款高透明度纤维由康宁玻璃公司研制生产，其材料的主要成分为二氧化硅。首个成功拥有渐变折射率的纤维由日本板硝子株式会社研制生产。在贝尔实验室的研发过程中，渐变折射率光纤由石英玻璃管加热和折叠而成。这样的石英玻璃管需预先在内部镀上数十层掺锗二氧化硅，每一层的厚度大约只有0.01毫米。这种复合体被嵌入称为预成型的实心棒之中，然后被拉成几千米长的光纤。
在最好的纤维样品中，传输损耗可低至每千米1分贝，相当于可传输输入能量的80％。然而，在现有光源的工作频率下，如此低的传输损耗是无法实现的。更为实际的平均损耗为每千米4～5分贝，约为可传输输入能量的30％。即使损耗如此之高，激光脉冲不经过放大仍可传输14千米。（在此距离下，接收端的信号强度仅剩输入能量的10 -7 。）毫无疑问，随着光源和检测器被调节至损耗最低的光谱范围（波长略长于1微米）以及光纤材料性能的提高，放大器之间的距离将远远超过14千米。
在光波通信中，必须要处理两种色散（或者说脉冲展宽）。第一种是模式色散，如上面两个插图所示。这组图显示脉冲展宽如何限制脉冲频率，进而限制光纤容量。在每一种情况下，所选择的脉冲速率都使得展宽达脉冲间隔的一半。a中纤芯具有一致的折射率，脉冲前沿和后沿到达时间差为每千米25×10 -9 秒，大约相当于光速在玻璃中传播500厘米。由于展宽不能超过脉冲间隔的一半，所以脉冲频率不能超过每秒2×10 7 个脉冲。b中纤芯为渐变折射率，模式色散减少为1/25，即每千米10 -9 秒，大约相当于20厘米。因而脉冲可以每秒5×10 8 个脉冲的频率传输。（展宽距离以对数单位标示，脉冲间隔见最左侧，为展宽的2倍。）第二种展宽为波长色散（c和d），是因为不同频率电磁波的速率随介质折射率变化而变化：频率越高，速度越大。用于光波通信的高强度发光二极管光谱带宽大约350埃，集中于波长为0.82微米的红外光谱，其带宽约等于可见光谱中绿黄之间的间隔。即使在模式色散为0的渐变折射率光纤中，一个来自发光二极管的单个脉冲的展宽仍约为每千米65厘米，信号频率也因此被限制为每秒1.5×10 8 个脉冲（c）。在光谱带宽大约20埃的激光光源（d）中，波长色散仅为4厘米，信号频率可提升至每秒3×10 9 个脉冲。
如头发丝粗细的光纤可组成光缆。在涂上可以防潮、防磨损、抗弯曲的保护层之后，每12根纤维将组成扁平的彩色光纤带。一根光缆中通常有12根光纤带，如此密集的排列可以起到缓冲和保护单根纤维的作用，防止其在现场维修时被破坏。光纤的拼接设计也独具匠心，以目前的技术，光缆内的纤维束的编排精度可达2微米以内。
与金属导体相比，光导在传输方面有诸多优势。在光导传输系统中，光线被完全限制在纤维内芯之中，信号不会在相邻纤维间泄漏而导致“串音”。除此之外，由于光导不会受到其他信源的电子干扰，所以光波通信系统在充斥着电子噪声的环境，比如在电话交换局的交换装置中传输信息更具备优势。
相比于金属电缆，光波通信的光缆在实现同等容量的条件下可节省大量材料。在本文刊发时，光纤材料比铜线要昂贵许多。但是，当一个技术更复杂的新产品首次投入生产时，相对较高的价格也在情理之中。
正因为光波通信有两种光源，所以使用的探测器也有两种，皆为固态探测器。第一种结构简单的设备是结型PIN光电探测器，这一点与通过光子生成电流的太阳能电池相似。（字母P、I和N分别代表探测器中半导体结的电子性质。）另一种则是前文提到过的雪崩光电探测器。所有信号探测器都不免有背景噪声，而且这种噪声会随其运行速度成比例增加。例如，当PIN光电探测器的运行速度由每秒1兆比特提高至每秒100兆比特时，背景噪声功率也会从10 -11 瓦增大到10 -9 瓦。在相同的运行速度下，雪崩光电探测器中的背景噪声仅为前者的1/10。由此可知，低速系统的传输距离大于高速系统。在光波通信中，信号探测器是接收模块的第一级，接收模块中的电路应与现有远程通信网络中传输的信号相匹配。
光波通信中使用的激光光源仅有一粒盐大。激光受激发射发生在有优良电子特性的半导体砷化镓与铝砷化镓组成的异质结层内。激光束从砷化镓层发出，穿过长约40微米密封气体介质后进入光纤。此种激光器功率为0.5毫瓦，波长为0.82微米。
发光二极管也由异质结层构成，与激光器相比更加简单、便宜、可靠。对于带宽不必太窄且仅0.1毫瓦的平均功率就可完成的传输距离，发光二极管大有用武之地。
现在让我们汇总各种关于信源、探测器和光纤特性的知识，看看这些设备的通信能力如何。首先计算一下低比特率（传输速率为每秒1兆比特）系统的传输范围。为了使探测器避免接收错误信号，进入探测器中的信号必须比探测器的内部噪声强100倍。如果使用的是雪崩光电探测器，则接收信号功率至少应达到10 -10 瓦。为了将传输距离最大化，我们应选择输出功率为10 -3 瓦的激光器，而非功率低一个数量级的发光二极管光源。正如我们所看到的，使用数字编码的光线通过光纤所允许的最大衰减为70分贝。由于目前光纤每千米的衰减小于5分贝，因此我们可以认为信号在不经放大的情况下能够传输14千米。（如果光纤每千米仅衰减1分贝则为最佳，传输距离可以扩展至70千米。）在现实中，能长达数千米不断的光纤是很难获得的。因此，两段光纤的连接处带来的额外损耗也应当被计算在总损耗之中，目前的插入式连接器有0.5分贝左右的损耗。如果在14千米的路程中需要6个连接器，那么额外损耗则只有3分贝。（如总损耗仍保持为70分贝，则总路程只需缩短600米。）
光纤终端的光探测器会在被光子撞击时产生电子。如图所示，结构最为简单的探测器为PIN光电二极管。所谓PIN指的是在二极管的P型和N型半导体之间还有一层本征半导体（I层）。（P型，即空穴型半导体，指材料中缺乏电子；N型，即电子型半导体，指材料中含有大量电子。）光子在I层被吸收，产生电子和“空穴”（即电子空缺），二者在均匀电场作用下运动，进而产生了电流。另一种更复杂的光电探测器，即雪崩光电二极管，有额外一层N型材料，这层N型材料提供了内置放大过程，可以增强电子信号。光电二极管的固有噪声会随运行速度而增大。当一个PIN探测器接收到频率为每秒10 8 个脉冲的信号时，其固有噪声约为10 -9 瓦。而对雪崩光电探测器而言，固有噪声仅为前者的1/10。
选定信源、探测器以及光纤之后，光导系统的信息处理容量会达到怎样的规模？由于以最高比特率传输为最理想状态，我们必须考虑多种因素。正如我们所知，探测器的噪声会随着传输速率提高而增大。因此，如果信号功率仅满足以每秒10 6 个脉冲的速率传输，那么它必须被放大100倍——以每秒10 8 个脉冲的速率传输。而且，随着脉冲变短变密，通过光纤所产生的展宽也成为一项重要的限制因素。
为了方便计算，我们假定脉冲展宽不会超过连续脉冲间隔的一半。对于渐变型光纤，基于模式色散（路径长度差异）的脉冲展宽为每千米10 -9 秒，这就意味着如果以每秒10 9 个脉冲的频率传输，展宽则相当于脉冲峰值间的整个间隔。因此，为了保持半个间隔的展宽，信号频率不能超过每秒5×10 8 个脉冲，这决定了传输频率的上限。如果我们选择近乎单色的激光源，那么由波长色散带来的脉冲展宽则可以忽略。
假若使用发光二极管光源，那么波长色散将成为信号速率的限制因素。原因在于，发光二极管的波长色散为每千米3.5×10 -9 秒，比模式色散大3.5倍。为了保持脉冲展宽低于连续脉冲间隔的一半，发光二极管光源的信号频率应略低于激光光源频率的1/3，即每秒1.4×10 8 个脉冲。如果要增加预设的传输距离，信号源的发射频率应当按比例减小。例如，若要实现10千米的传输距离，激光源频率将不得不下降10倍，降至每秒5×10 7 个脉冲，这与在芝加哥配备的装置实际选用的频率近似（每秒4.47×10 7 个脉冲）。这些简单计算说明了现今技术所达到的水平，并且对于各种不同容量、范围和装置复杂度的设计选择给予了一个大致介绍。在未来，这些科技还将取得显著进展。
全新的光导技术在众多领域中都显示出广阔的应用价值。例如，一根光纤便可轻松承载电视信号，这为娱乐和商业通信带来了新的机遇与可能。建筑物之间可通过轻巧的光纤连接，让内部通信服务成为可能。计算机各部分间也可通过光纤连接。而电话领域被认为是率先实现重要光导技术应用的领域。
在今天的大都市中，空间异常昂贵，为了降低费用，连接电话交换中心的铜缆都被埋在地下管道中。而地下管道的铺设会产生额外费用，增设新管道不仅花销大而且很不方便。容量高且占地需求小的光波通信系统，能够更好地利用现存的地下管道，从而推迟了对新建管道的需求。另外，因为在许多城市中，相邻交换中心的距离都小于7千米，光波系统可能无需使用放大器来增强线路上的信号强度。
1976年在亚特兰大所使用的光导线缆中含有144根独立玻璃纤维，分为12根光纤带，每根光纤带含12根纤维。这些光纤带并排叠在一起，外围有若干层防护材料，其中含有用钢丝加固的聚乙烯护层。光缆的脉冲频率为每秒44.7兆个脉冲，一对光纤可传输672路双向语音通话信号、双向视频通话信号，或者其他相应信息容量的数据。光缆两端都有由工厂制造、借助精密夹具配对的连接器。
在芝加哥装置安装完成之前，贝尔实验室和西部电气公司已于1976年在亚特兰大模拟环境下测试了光波系统的原型。这一原型系统包括两条640米长的光导线缆，其中每一条都含有144根纤维，并且通过标准地下管道铺设。测试中，实验人员还模拟了常见的城市电信环境。值得一提的是，在装置安装过程中没有一根纤维受损，在需要避免过度弯曲的牵引操作中，光导性能也未降低。在芝加哥的装置中，每对光纤的承载容量相当于672路双向语音通道。该系统使用的光源为镓铝砷激光，传输速率为每秒44.7兆比特。在接收端，光脉冲由雪崩光电探测器转换为电信号。
作为亚特兰大试验的一部分，一部分光纤的末端被连接在一起，制造出一条长达70千米的连续通信通路。在11个再生器或放大器的帮助下，在特定方向的一定时间内已实现了近乎无误差的信息传输。除了将发光二极管作为激光源的补充之外，芝加哥装置与亚特兰大试验系统并无太大差异。
除了关于未来光纤可以大幅降低损耗的期望之外，本文所描述的内容都是基于当前已经出现的技术。过去的经验告诉我们，科技的迅猛发展是毋庸置疑的。例如，许多企业和大学的研究人员正在进行集成光学实验，其中包括在薄膜内处理光信号的技术，这相当于光学领域内的微型集成电路。或许有一天，这种光学电路可以免除传输中通过放大器进行光脉冲与电信号相互转换的烦琐步骤。另外，直接交换光脉冲的理论及实验研究也正在进行，如果这一技术可以实现，交换中心将不再需要把光信号转化为电信号。接下来，光交换机就能取代目前使用的机电和电子交换设备，从而使得更快更密集的电话接通成为可能。