欧阳峰的博客

来美国早的人，可能还记得八十年代Sprint长途电话公司的广告：一根针落在地上的声音，在电话另一端听得清清楚楚。这样高的音质，是因为他们用了光纤网络。其实，Sprint的通话质量并不比竞争者好。但用“光纤”这个先进技术作卖点，还是很有效果的。二十多年后的今天，光纤已经无所不在了。我们每天看见，听见的信息，都在光纤中传送过。就像电线，水管等一样，我们在享受其服务的同时，已经对它本身视而不见了。

2009年物理诺贝尔奖由“光纤之父”高琨分享一半，又把光纤带入了人们的视界。关于这一年的得奖工作，有一篇很好的介绍：http://www.changhai.org/articles/science/physics/no... 这里就不重复了。本文将简单介绍一下光纤的历史和现代光纤通信中的几个关键技术。

光纤的基本原理是我们都熟悉的全反射。当光在玻璃内传播时，在一定条件下会被玻璃的表面来回反射而不漏到外面去。这样光就会沿着玻璃传到另一端。这个原理在十九世纪人们就知道了，也用玻璃纤维来传送影像和数据。但是现代光纤的出现，还依赖于三个重大科学成果。

首先，现代光纤并不是简单的全反射“光管”。它更像微波上用的波导管：电磁场在边界的约束下以一定的模式振动和传播。光纤有两层材料：最里面的芯管和外面的覆层。两者的界面，就是上面说的“反射层”了。但实际上光并不是限于在芯管中传播，而是被芯管“引导”着，在两种介质中同时传播。这个理论在一九六一年提出，指导了光纤结构设计的方向。事实上，今天除了极短距离外，所有光纤都是“单模”式的，也就是只有一种电磁振动模式能够在其中传播。这种光纤的芯管只有几个微米直径，是光的波长的几倍。所以光在其中的传播不能用“反射”这样的几何光学语言来描写。【注一】

第二，就是高琨提出的光衰减的来源。高琨在一九六六年指出，光纤中的光损失主要是由于杂质。如果能制造纯度极高的玻璃，光的损失就可以从当时的二十米损失99%减少到1000米损失99%。而今天的光纤，是一百公里损失99%。光损失的减小，排除了光纤走向实用的障碍。

第三个科学成果，就是激光的发明和应用。1975年，第一个商用的，可以在室温下连续发光的半导体激光器问世。两年后（1977年），在芝加哥就建成了第一个实验光纤回路。同年，AT&T在芝加哥正式使用光纤传送电话信号。

与铜线相比，光纤在长距离传送方面是理想得多的载体。一方面，它的频宽非常宽，也就是传送数据的速度非常高。一条光纤能抵成千上万条铜线。另一方面，它的损耗很低，也就不需要途中有很多放大站。这在海底电缆上特别有好处。但是，这些放大站却比铜线中的要麻烦得多。放大光信号，需要先把光信号转变为电信号并取出其中的数据，再重新调制到光波上去。到了1990年代，光放大器开始广泛应用。光放大器可以直接增强光的强度，而不用转化成电子信号。但是，经过长距离传输后光信号的波形会有畸变，噪声也会增加。所以还是需要在一定距离后将它转变为电信号“清理”以后再继续传送（称为再生）。所以，长距离光纤线路上接有很多光放大器和电子再生器。现在，新一代的器件也可以在光放大的同时作一定程度的修正和清理，减少了所需要的电子再生器的数量。

虽然作为传播媒介来说，光纤比铜线要好得多，但它也不是完美无缺的。对于长途传送来说，光纤的主要问题是非线性和色散。色散是指不同波长的光传播的速度不同。这样，一个光脉冲在传播过程中会变宽，而和别的脉冲混在一起。这就限制了脉冲之间的最小距离，也就限制了数据传送速率。在输送功率高的时候，非线性会使得光的谱线变宽，从而加剧了色散现象。光纤线路中可以加入具有相反色散系数的一段光纤来近似地补偿色散，从而增加再生器之间的传送距离。

一条光纤上，还可以同时传送不同波长的光信号。现代的高速光纤网路普遍采用高密度波长多分（DWDM）技术，用几十，几百个十分接近的波长来并行传送数据。除了达到超高的传送速率外，这种技术还为数据处理带来了方便。在终端上，我们可以对每个波长所运载的数据进行加载或卸载，而不需要把其他波长的光信号转变为电信号。当然，这种技术对于光源的稳定性和光纤的传送质量也有了更高的要求。

数据传送速率提高后，数据处理中的电子部分就成了“瓶颈”。于是，人们设法在光学的范围内完成更多的处理。光纤网络中的路由器好象是铁路转运中心，负责把一条铁路（光纤）上进来的货物（数据）按照其目的地放到相应的铁路上运出去。最早的路由器是电子的，需要把数据从光信号上解调出来，送到相应的出口，再调制成光信号。这相当于转运中心要把货物卸下列车再重新装车。而全光路由器则试图避免这样的转换。目前的全光型路由器可以把一个波长的光接驳到相应的出口光纤，并根据需要转换波长。这好像是把一节车厢直接编组到新的列车上，比装货卸货要省事多了。但是有个条件，就是一条波长上的数据的目的地是一样的。随着光接驳的速度加快，在不久的将来能实现在数据包层次上的接驳而不需要光、电之间的转换。这样，系统的容量又能进一步提高了。

以上说的都是长距离，高速度的数据传送。除此以外，光纤也用在家庭和企业的接入服务上，也就是所谓“光纤到户”。这种技术中主要的挑战就是降低成本了。

三十年前第一条实用光纤，传送速度是45兆比特/秒(Mb/s)。现在的传送速度已经高于太比特/秒（Tb/s），提高了近十万倍！但是这还没到尽头。随着各种技术的发展，在不久的将来传送速度还有望继续提高。下面就介绍两个活跃的研究方向。

目前光信号的调制是很简单的，基本上就是“开”和“关”两种状态。一个波长在每个脉冲时段可以传送两个比特（数位）的数据（使用两个相差90度相位的载波）。加上偏振的话，速度可以再加一倍。如果象铜线的数字通信一样使用更复杂的调制方式，就可以进一步提高传送速率。但这就要求在接收端有更复杂的信号处理。这在以前很难办到，因为所要求的时钟速度太高了。但随着电子技术的进步，现在信号处理的复杂度正在增加。这不仅能支持速率更高的调制方式，而且能用电子信号处理来更精确地纠正光纤传输中的畸变，从另一方面提高传送速率。有了强大的信号处理，光纤的传送速度就可望接近香农极限了。

上面说到，光纤传送的大敌是非线性和色散。但柳暗花明，这两个特性却造就了一种新的传送技术：孤立子（soliton）。非线性和色散在一定条件下的组合，可以让一个脉冲传播很长距离而不改变形状。这个在十九世纪就被发现的现象，曾经是数学上一个冷僻的研究题目。但到了1973年，有人提出在光纤中能产生孤立子。1990年代，已经做出了演示系统，证明孤立子在光纤中可以高速传送数据，而且只靠光放大器，不需要电子再生就可以传送上亿公里。这个技术实用化以后，光纤通信的性能又可以大大提高。

光纤问世三十多年来，已经彻底改变了有线数字通信的格局。从“落针听声”的广告到今天无处不在的光纤网路，我们的生活也发生了重大的变化。信息对我们来说已经象水和空气一样不可或缺了。随着传送速率的进一步增加和传送成本的进一步降低，还有着无穷无尽的新应用等着我们去发明和享受呢。

【注一】按照几何光学的说法，芯管和覆层之间的界面是光密到光疏介质，所以能形成全反射。这样光线就在芯管内部迂回前进。根据入射角的不同，光线走的路途也不同，所以到达终端的时间也会有区别。这样，一个光脉冲经过传输后就会散开，所以不能传太远。

当芯管的直径与波长同一个量级时，光波的传播就不能用直线来近似了，而要在给定的边界条件下解波动方程。一般来说，在同一个边界条件下可以有很多解，这些解称为这种边界条件下的模（例如，在自由空间，任何方向的平面波都是波动方程的解）。但是当芯管直径很小时，波动方程只有一个解，这种情况称为单模。在单模传播条件下，光脉冲可以传送很长距离而不散开。

也可以这么想：光波是向四面八方传播，又从四面八方反射回来。而只有在一定条件下，这些反射才会相互增强而不是抵消，而形成一个“模”。

为了填补肯尼迪参议员逝世后留下的席位，麻省将在下周二投票选举新的参议员。这场选举吸引了全国的注意力，民主党大佬包括前总统克林顿和现总统奥巴马都亲自前往站台。其背后的原因却有点不可思议：这个席位落入谁手，关系到健保法案能否通过和国会未来的政治格局。一个民主国家，政治决策理应由大多数选民说了算。怎么会由一个参议员席位而定乾坤呢？

“一票定乾坤”的事以前也发生过。最著名的就是2000年的总统选举。高尔和小布什在全国选举中旗鼓相当又因为佛罗里达计票中的技术问题相持不下，结果由最高法院以5比4的投票决定停止重新计票，从而把小布什送上了总统宝座。这件事被很多人看成是美国民主制度的笑话，称之为“九个法官选出总统”或“最高法院一票决定选举结果”。其实在我看来，那件事却不是太离谱。当时已经经过全国投票，两名候选人都得到差不多一半的选票。在这种情况下，不管谁做总统，都可以说是代表了民意。当然最后总要有人决定，也许由最高法院决定不合适，但不能说他们凌驾于民意之上。这就像足球比赛平局时罚点球决胜一样。凭什么一个踢球的和一个守门员就能决定整场比赛胜负？因为前面的比赛已经证明两队实力相当了。

但是这次不同。首先，这个选举的重要性不在于两个候选人的具体立场政见，而在于他们的党派。其次，其实这个席位并不改变参议院民主党占多数的局面，但却对未来的投票至关重要。这就是比较离谱的事了。其中原因，就在于美国目前的党派政治现实。美国基本上是两党制，民主党和共和党政客除了代表本选区的选民外，还依赖于本党在人脉和财源上的支持，所以也需要按照本党的利益行事。为了本党的政见奔走呐喊也就罢了，有时还为了不让对头得到政治功劳而故意阻碍某些提议，宁可让对国家有益的事情泡汤。而在参议院有一个独特的规定：任何一个参议员都可以无限期地拖延一个议案的通过。他只要占住讲台不停地说话，就能阻止投票了。这就使得少数党可以做到“成事不足，败事有余”。这种成为Filibuster的战术近年来被频繁使用，以至于大家都省去了“不停说话”的麻烦，只要宣布进入Filibuster就行了。要克服这个阻碍，必须60票以上的多数决定进入投票程序。所以，多数派要真正做到主导政令，就需要60票以上的多数。而麻省的选举，就决定了民主党是否能保持这个“超级多数”。其实Filibuster的机制本来也不见得不好，因为它保证了多数党不能为所欲为，在重大问题上还是必须寻求共识。但是近几十年来，这个机制越来越多地被用于党派之争。少数派不论大事小事都祭出这个法宝，来换取讨价还价的筹码。这样导致国会议事效率低下，扯皮严重。

对于这样的“党派政治”，民众早有微词。而多年来，“超越党派之争”就成了政客们拉选票的一个漂亮口号。当年小布什就津津乐道他当德州州长时与对头党议员合作的“政绩”。最近的总统竞选中，共和党候选人马侃也是以在党内保持“独立”而闻名。民主党候选人奥巴马更是在《大胆希望》的自传中把自己写成一个超越党派，走中间路线的“温和派”。但是树欲静而风不止。在宣称“两党和谐”的小布什和奥巴马当政期间，国会的党派政治益发激烈。自从奥巴马入主白宫以来，国会所有重大议案都没有得到少数派共和党的支持。这次健保改革的法案更是如此。当年社安法案和老年医疗保险（Medicare）法案都得到了两党的支持。但这次的健保法案尽管做了很多折中，还是得不到共和党的一票支持。根据国会季报（Congressional Quarterly）的统计，2009年是半个多世纪以来党派政治最严重的一年。难怪民主党是否能保持“超级多数”成为了至关重要的问题。

“党派政治”其实反映了民主体制下更基本的一个问题。对于美国这样的大国，事事都靠直接的全民投票是不可能的。人民只能通过选出的民选官员间接地管理国家（这里涉及到“民主”和“共和”的区别等等，不在讨论范围内）。理想地说，这些民选官员应该代表了选民的利益。但实际上他们形成了自己的利益集团，他们需要继续当选，需要青史留名，需要掌控更多权利甚至谋求物质利益。。。选民就在一定程度上对他们失去了控制。在建国初期，国会议员们大多不是专职的。他们在一定任期后还会回到原来的职业上去。而今天，议员的职业就是议员。如果不落选的话，大多数都会做到退休。这样，华盛顿政客们的利益集团就更稳固，而与选民也就离得更远。而两党制更加剧了这个问题：民众只能在两党之间取其一。只要不离谱到让自己的支持者投向对方阵营，对于他们的不满就可以不顾及。

这次麻省的参议员选举变得如此重要是可笑的。它反映了华盛顿党派政治已经到了积重难返的地步。但是另一方面，这次竞选也让我看到了希望。麻省是民主党占绝对上风的州。三十多年来麻省的参议员全是民主党员。在州政府和州议会中，民主党也占绝对多数。所以这次选举本来是没有悬念的。但是，共和党候选人布朗却得到了大多数无党派选民的支持，而在民调上接近对手甚至一度领先。最近的民调显示，65%以上的麻省选民自称无党派。而且很多民主党选民因为对健保改革不满，可能不会积极参与投票。如果这个现象成为全国的趋势的话，那今年十一月的国会换届选举就会和两年前很不相同了。无党派选民的增加也会鼓励其他独立的政治力量。近来有个名为“茶叶爱国党”（Tea Party Patriots）的组织就相当活跃。这是个立场保守的群众组织，主张回到建国初的小政府社会。它的兴起也反映了民众对于民，共两党的失望和不满。当然所谓“第三势力”在美国离成气候还差得很远。但是基层民众的参政在因特网发达的今天比以前要少了很多障碍。上次选举，奥巴马就得益于基层民众的支持才击败党内大佬，最终当上总统。然而他的支持者并不是死忠。今天很可能其中一批人会转向他的对手。“第三势力”的兴起与基层民众参政的活跃相互鼓励相互帮助，也许能为美国政治注入新的活力。

回到美国民主制度：这个制度明显有很大问题，说“病入膏肓”恐怕也不过分。但是解决的药方是什么？我的看法是：如果在民主制度的框架内考虑的话，制度的改革是重要的，但更重要的还是人。不是政客，而是你，我，他。

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国会的医疗保险改革法案已经进入了最后协商阶段。奥巴马总统正在积极推动，希望能及时签署，为他一年一度的国会演讲“献礼”。目前，该法案的很多细节还未披露。但有两点是肯定的：这将是一个按党派划线的法案呢？而且，这个法案对于最困扰大多数美国人的医疗费用飞涨问题最多是杯水车薪。奥巴马声称要做完成医疗改革的“最后一个总统”。但实际上却留下了重大后患。

这次医疗改革的重点是“全民健保”，也就是解决几千万美国人没有医疗保险的问题。在把这么多人拉进这个保险体系的时候，却很少有人停下来问一句：这个体系本身是个好体系吗？我认为，目前的医疗保险既太多，又太少。而“健保法案”将更为加重这个问题。

我们的保险涵盖太多了。保险的目的是风险管理。也就是让投保人不至于被不可预料的花费（医疗费用）压垮。但是现在，医疗保险成了支付医疗费的唯一方式：没有医疗保险就被看成不能享受医疗服务。打个比方吧，我们都知道买汽车的时候，你可以买“延长保用”。也就是付一笔钱，在保修期过后车子出了问题，你可以免费修理。这也是一种保险，好处是不必为可能的修车费而存一笔钱了，但是设想有个“超级延长保用”不但包括修车，还包括换油，换轮胎，甚至加汽油，你会怎样想？你一定看出这是个蠢主意。因为这些费用对于消费者来说不但不大，而且是可以预料的。如果“保用”涵盖的话，羊毛出在羊身上，多收的保险费肯定比实际花费要贵。我还不如自己预算好这些花费呢。而且，每次保养和小修都要去找保险公司报销，也是劳民伤财的事。

医疗保险也是一样。现在大多数医疗保险都包括常规检查和小毛小病的费用。健保法案更规定了所有保险计划都必须涵盖这些常规服务，而且病人的自付款有严格的限制。这就像上面那个“超级延长保用”一样可笑。对病人来说，每次看病不用花钱或只花十块二十块，感觉是挺好的。但总的花费一定只会增加不会减少。除了保险公司会把这些费用（连同相关的行政费用和利润）加进保险费外，医生那里也要雇人做有关的文案工作，而这最后也是由病人买单。

更糟糕的是：大多数病人看病，根本都见不到（或不关心）账单。除了固定数额的自付款外，医生直接向保险公司要钱，病人只要付保险费就行了。而且，往往病人连保险费是多少也不知道或不关心，因为是雇主付的。当然，在雇主的账上，保险费和工资的总和就是雇人的成本。所以保险费实际是从工资里扣去的。所以，虽然归根结底医疗费用是由病人（整体）来付的，但病人与具体的医疗费用隔了好几层。这种做法，是医疗服务这个市场不能有效运作，导致费用飞涨的重要原因。因为具体看病的医疗费与病人不是直接相关，病人没有动力寻求性价比更高的治疗选项，而医生和医院也没有价格竞争的压力。很多人买东西前都会比价。而在接受上千上万元的医疗服务以前，却很少有人比价，甚至于医疗机构通常都不接受电话或当面的价格询问。通常一个新技术都是刚引进时价格贵，成熟后，用的人多了以后，价格就会下降。需要病人自己付费的医疗服务也是这样。激光矫正视力手术的费用就是逐年下降的。但是由保险公司付费的服务如核磁共振，却没有这样的降价。

其实美国的医疗保险不是一直这样的。十年，二十年前，通常的保险计划要求病人支付一定比例（比如20%）的医疗费。而且保险公司只按平均收费水平付钱。多出来的就全由病人负责了。（对于大病，在病人支付款超过一定水平时，保险公司会全部支付，而使病人没有重大的财务负担。）那时对于普通的服务如补牙，我们都会“货比三家”，甚至与医生讨价还价。后来，大概是与“一揽子付款”的“健康管理机构”（HMO）竞争吧，保险公司采用了“服务网络”形式。病人只付固定的自付款（十到二十元），保险公司则和医生或医院谈判价格。这就演化成了现在的模式。而酝酿中的“健保法案”（至少是众院版）更是强化了这个特点。

所以，我认为现在的医保体系“太多”，割断了病人和费用的联系，增加了付费系统中的行政开支，更阻碍了医疗服务市场的有效运作。以前要求病人自付一定比例医药费的做法，更有利于控制医疗费用。为了帮助病人应付自付款的开支，可以建立强制的医疗储蓄账户，要求一段时间的平均存款在一定水平以上，来作为缓冲。保险公司也可以用保费折扣来鼓励定期健康检查等良好习惯。同时，医疗保险应该渐渐与雇主脱节，以适应新时代工作变换频繁和独立经营人士增加的趋势，也给消费者更多选择保险的余地。从这点说，我希望即将建立的“健康保险交换市场”能发挥预期的作用。

在“太多”的同时，医疗保险又存在着“太少”的问题。“太少”的意思，是说医疗保险不能涵盖所有的医疗需求。这次健保改革，所谓的“合格保险计划”基本上是以Medicare为蓝本的。而Medicare只是一个有限的保险服务。例如，它的住院福利限于前60天的全部费用。在那以后，病人自己需要支付从每天267元，534元到直至全部花费，住得越长自付的比例越高。所以，很多人还购买附加保险（Medigap）。还有一些医疗服务，如矫正视力，美容等，是保险都不涵盖的。健保法案的“合格保险计划”规定中更是限制了保险的涵盖项目。参院版本中，还要对服务特别好（当然价格也贵）的“豪华型”保险计划额外征税。当然这些都有背后的理由，但客观效果之一，就是把一些医疗服务划到了医疗保险的涵盖范围以外。

当然，医疗保险永远不可能涵盖所有医疗服务，因为后者潜在的花费成本是无限的。医疗保险和医疗服务是不同的范畴。这本来不是问题，大家都有这个认知。但是在健保改革讨论中，这两者被有意无意地混为一谈了。当政客们说“给所有美国人享受医疗服务的权利”时，他们做的是提供“基本”级的健康保险。提供健康保险的花费是有限的，经过讨价还价的政治运作现在基本定下来了。但是政府在此过程中承担起的“提供医疗服务”的责任却是无限的。政府是不可能承担无限的责任的，必须有个界限。而这个界限在哪里，却是“健保改革”讨论中讳莫如深的问题。比如，如果有人需要长期的医疗护理而保险不涵盖，人们能不能理直气壮地说这不是政府的责任（除了贫困救济以外）？如果将来美容手术普及了，富人可以自费美容而穷人负担不起，这会不会被认为是政府必须解决的“社会不平等”？当然，这些问题世界各国都会面对，现在也不可能一揽子都解决。但是我认为，在根本不把这些问题放在桌面上的前提下就宣称“健保改革”大功告成的话，是相当不负责任的做法。

我们可以回顾一下半个多世纪前建立的“社会安全体系”（Social Security）。当时卢瑟福总统的目标是要解决美国老年人的生活保障问题。在对参院的讲话中，卢瑟福总统明确地说：这只是提供保障的第一步。“我们不可能为白分之一百的人口提供百分之一百的风险保障。但是我们试图立法，为普通公民和家庭提供一些保障”。的确如此。在那以后的几十年中，政府对老年人的义务扩大了很多。不但社安税率从开始的百分之三上升了几倍，而且还加上了Medicare，和为401K等退休金提供免税。到今天，光靠社安福利收入已经不是可以接受的退休方式了。现在的“健保改革”要将政府的类似责任推广到老年人以外的所有公民。这个“健保体系”以后也会面临增长和扩大的压力。对此，我们不能抱以“毕其功于一役”的幻想。

总之，不管这次“健保法案”的命运如何，我们面临的医疗费用高涨和政府在医保中的角色这两个基本问题并没有解决。关于健保的思考和讨论，也不应随着总统，国会的政治角力的结束而被束之高阁。我们大家都要关注这个与我们的下半辈子生活密切相关的话题。
【附注】有一篇评论美国医疗体系的文章很值得一读：How American Health Care Killed My Father http://www.theatlantic.com/doc/200909/health-care