光纖通信技術(shù)的發(fā)展史及其現(xiàn)狀

    光自身固有的優(yōu)點(diǎn)注定了它在人類歷史上充當(dāng)不可忽略的角色，隨著人類技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，優(yōu)點(diǎn)也越來越突出。

    光纖通信是將要傳送的圖像、數(shù)據(jù)等信號(hào)調(diào)制到光載波上，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。將優(yōu)點(diǎn)突出的光纖通信真正應(yīng)用到人類生活中去，和很多技術(shù)一樣，都需要一個(gè)發(fā)展的過程。

一、 光纖通信技術(shù)的形成

(一)、 早期的光通信

    光無處不在，這句話毫不夸張。在人類發(fā)展的早期，人類已經(jīng)開始使用光傳遞信息了，這樣的例子有很多。

    打手勢是一種目視形式的光通信，在黑暗中不能進(jìn)行。白天太陽充當(dāng)這個(gè)傳輸系統(tǒng)的光源，太陽輻射攜帶發(fā)送者的信息傳送給接收者，手的動(dòng)作調(diào)制光波，人的眼睛充當(dāng)檢測器。

    另外，3000多年前就有的烽火臺(tái)，直到目前仍然使用的信號(hào)燈、旗語等都可以看作是原始形式的光通信。望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)則又極大地延長了這類目視形式的光通信的距離。

    這類光通信方式有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，就是它們能夠傳輸?shù)娜萘繕O其有限。

    近代歷史上，早在1880年，美國的貝爾（Bell）發(fā)明了“光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動(dòng)鏡片上，使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化，實(shí)現(xiàn)話音對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號(hào)變換為電流傳送到受話器。

    光電話并未能在人類生活中得到實(shí)際的使用，這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有合適的光源和傳輸介質(zhì)。其所利用的自然光為非相干光，方向性不好，不易調(diào)制和傳輸；而以空氣作為傳輸介質(zhì)，損耗會(huì)很大，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，又易受天氣影響，通信極不穩(wěn)定可靠。

    如此看來，這種光電話并沒有太大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，然而，我們不得不說，光電話仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它的出現(xiàn)證明了用光波作為載波傳輸信息是可行的，因此，把貝爾光電話稱為現(xiàn)代光通信的雛形毫不過分。

(二)、 現(xiàn)代光纖通信技術(shù)的形成

    隨著社會(huì)的發(fā)展，信息傳輸與交換量與日俱增，傳統(tǒng)的通信方式已不能滿足人們的需要。為了擴(kuò)大通信容量，通信方式從中波、短波發(fā)展到微波、毫米波，這實(shí)際上就是通過提高通通信載波頻率來擴(kuò)大通信容量的。

    繼續(xù)提高頻率，達(dá)到光波波段，光波是人們最熟悉的電磁波，其波長在微米級(jí)，而頻率則為Hz數(shù)量級(jí)，這比常用的微波頻率高～倍。如此看來，用光波作為載波進(jìn)行通信，通信容量將大大超過傳統(tǒng)通信方式。

    要發(fā)展光通信，最重要的問題就是要尋找適用于光通信的光源和傳輸介質(zhì)。

    1970年，光纖和激光器這兩個(gè)科研成果同時(shí)問世，拉開了光纖通信的帷幕，所以我們把1970年稱為光纖通信的“元年”。

1、 光源

    1960年，美國的梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，它可以產(chǎn)生單色相干光，使高速信息的光調(diào)制成為可能。

    和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。

    但是，紅寶石激光器發(fā)出的光束不容易耦合進(jìn)光纖中傳輸，其耦合效率是極低的，因此需要研制小型化的激光光源。

    1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司（NEC）和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫（－200 ）或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)工作的鎵鋁砷（GaAlAs）雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（短波長）。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但其意義是重大的，它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)（約11.4年），外推壽命達(dá)到100萬小時(shí)，完全滿足實(shí)用化的要求。在這個(gè)期間，1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 的銦鎵砷磷（InGaAsP）激光器，1979年美國電報(bào)電話（AT&T）公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。

激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

2、 傳輸介質(zhì)

1) 大氣

    1961～1970年，人們主要研究利用大氣傳輸光信號(hào)。美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。試驗(yàn)證明用承載信息的光波通過大氣的傳播實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的，但是大氣傳輸光通信存在很多嚴(yán)重的問題：

    （1）通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)120dB/km。

    （2）大氣的密度和溫度很不均勻，造成折射率的變化，加上大氣湍流的影響，光束位置可能會(huì)發(fā)生偏移和抖動(dòng)。因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實(shí)現(xiàn)“全天候”通信。

    （3）大氣傳輸設(shè)備要求設(shè)在高處，收、發(fā)設(shè)備必須直線可見。這種地理?xiàng)l件使得大氣傳輸通信的適用范圍具有很大的局限性。

    雖然，固體激光器（例如摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器）的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣激光通信可以在江河兩岸、海島之間和某些特定場合使用，但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。

    為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊?，人們自然想到把激光束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷?huì)聚到下一個(gè)透鏡而實(shí)現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)和透射鏡波導(dǎo)相似，是用與光束傳輸方向成角的兩個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。

    這兩種波導(dǎo)從理論上講是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次，為了防止地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。

    由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。

2) 光纖

    為了發(fā)展光通信技術(shù)，人們又考慮和嘗試了各種傳輸介質(zhì)，其中包括利用玻璃材料制成光導(dǎo)纖維來傳輸光信號(hào)，但是當(dāng)時(shí)最好的光學(xué)玻璃材料的損耗在1000dB/km以上，這么高的傳輸損耗根本就無法用于通信。

    1966年，美籍華人高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。

    1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。因此，光纖通信開始可以和同軸電纜通信競爭，世界各國相繼投入大量人力物力，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。

    1972年，隨著光纖制備工藝中的原材料提純、制棒和拉絲技術(shù)水平的不斷提高，進(jìn)而將梯度折射率多模光纖的衰減系數(shù)降至4dB/km。

    1973年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降到了1.1dB/km。

    1976年日本電報(bào)電話（NTT）公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km（波長1.2）。

    在以后的10年中， 1.55波長處的光纖損耗（如圖2所示）：1979年是20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。

    1976年，在進(jìn)一步設(shè)法降低玻璃中的（氫氧根）含量時(shí)，發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長波長區(qū)有1.31和1.55兩個(gè)低損耗窗口。

    1976年，美國在亞特蘭大進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作為光源，多模光纖作為傳輸介質(zhì)，速率為44.736Mbit/s、傳輸距離約10km，這一試驗(yàn)使光纖通信向?qū)嵱没~出了第一步。

    1980年，原材料提純和光纖制備工藝得到不斷完善，從而加快了光纖的傳輸窗口由0.85移至1.31和1.55的進(jìn)程。特別是制出了低衰減光纖，其在1.55的衰減系數(shù)為0.20dB/km，已接近理論值。與此同時(shí)，為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化，人們又及時(shí)地開發(fā)出適用于長波長的光源，即激光器、發(fā)光管和光檢測器。應(yīng)運(yùn)而生的光纖成纜、光無源器件、性能測試及工程應(yīng)用儀表等技術(shù)的日趨成熟，都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒質(zhì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

    1981年以后，世界各發(fā)達(dá)國家將光纖通信技術(shù)大規(guī)模地推入商用。歷經(jīng)20余年的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信速率已由1978年的45Mbit/s（例如美國MCI于1991年開通了Chicago至St.Louis全長275英里的4×10Gbit/s的商用光纖通信系統(tǒng)等）。

二、 光纖通信技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展

    從宏觀上來看，光纖通信主要包括光纖光纜、光電子器件及光通信系統(tǒng)設(shè)備等三個(gè)部分。

(一)、 光纖光纜

    光纖本身所固有的優(yōu)點(diǎn)及其技術(shù)的進(jìn)步使其成為當(dāng)今社會(huì)信息傳輸?shù)闹饕浇椤?/p>

    圖3展示了北美消費(fèi)的光纜較多，占了全球近25%，其次為歐洲。全球光纖的消費(fèi)額逐年增加，由此看出，光纖的市場需求量在增加，其應(yīng)用越來越廣。

    圖4展示了單模、多模光纖的消費(fèi)額總體在增加，結(jié)合圖5、圖6又可以知道單模光纖的市場份額有所下降，多模光纖的應(yīng)用則變得較為廣泛。

(二)、 光電子器件

    常見的光檢測器包括：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。目前的光檢測器基本能滿足了光纖傳輸?shù)囊螅趯?shí)際的光接收機(jī)中，光纖傳來的信號(hào)及其微弱，有時(shí)只有1mW左右。為了得到較大的信號(hào)電流，人們希望靈敏度盡可能的高。

    光電檢測器工作時(shí)，電信號(hào)完全不延遲是不可能的，但是必須限制在一個(gè)范圍之內(nèi)，否則光電檢測器將不能工作。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率不斷提高，超高速的傳輸對(duì)光電檢測器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對(duì)其制造技術(shù)提出了更高的要求。

    由于光電檢測器是在極其微弱的信號(hào)條件下工作的，而且它又處于光接收機(jī)的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會(huì)使信噪比降低，影響重現(xiàn)原來的信號(hào)。因此，光電檢測器的噪聲要求很小。

    另外，要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響。

    光放大器的出現(xiàn)使得我們可以省去傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)中不可缺少的光－電－光的轉(zhuǎn)換過程，使得電路變得比較簡單，可靠性也變高。

    早在1960年激光器發(fā)明不久，人們就開始了對(duì)光放大器的研究，但是真正開始實(shí)用化的研究是在1980年以后。隨著半導(dǎo)體激光器特性的改善，首先出現(xiàn)了法布里－泊羅型半導(dǎo)體激光放大器，接著開始了對(duì)行波式半導(dǎo)體激光放大器的研究。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖拉曼放大器。80年代后期，摻稀土元素的光纖放大器脫穎而出，并很快達(dá)到實(shí)用水平，應(yīng)用于越洋的長途光通信系統(tǒng)中。

    目前能用于光纖通信的光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器和摻稀土金屬光纖放大器，特別是摻餌光纖放大器（EDFA）倍受青睞。1985年英國南安普頓大學(xué)首次研制成摻餌光纖，1989年以后摻餌光纖放大器的研究工作不斷取得重大突破。由于光纖放大器的問世，在1990年到1992年不到兩年的時(shí)間里，光纖系統(tǒng)的容量竟增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而在1982年到1990年的8年時(shí)間里，光纖系統(tǒng)的容量才只增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。光放大器的作用和光纖傳輸容量的突飛猛進(jìn)，為光纖通信展現(xiàn)了無限廣闊的發(fā)展前景。

    當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個(gè)低損耗窗口：1.55波段和1.31波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

    摻餌光纖放大器工作在1.55窗口，該窗口光纖損耗系數(shù)比1.31窗口低（僅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。

    摻鐠光纖放大器工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90％都工作在這一窗口。PDFA對(duì)現(xiàn)有光通信線路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對(duì)溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。

    非線性的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。光纖拉曼放大器是利用光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)——受激拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生的增益機(jī)理而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸線路與放大線路同為光纖，因此，放大器與線路的耦合損耗小，噪聲較低，增益穩(wěn)定性較好。但由于這種光放大器需要很大的泵浦功率（數(shù)百毫瓦）和很長的光纖（數(shù)公里）。另外，光纖拉曼放大器的特性對(duì)光纖的偏振狀態(tài)十分敏感。因此，光纖拉曼放大器目前還不能用于光纖通信。

(三)、 光纖通信系統(tǒng)

    光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)歷了四代變更：

    第一代光纖通信系統(tǒng)是在1973～1976年研制成功的45Mbit/s、0.85多模光纖系統(tǒng)。其光纖損耗在0.85處為4dB/km，在1.06處為2dB/km，LD（Laser Diode，激光二極管）壽命達(dá)到小時(shí)。此外組成系統(tǒng)的其他各個(gè)部分在性能上已基本滿足要求。1978年投入使用的第一代光纖通信系統(tǒng)的速率范圍在50～100Mbit/s，中繼距離為10km。

    第二代光纖通信體統(tǒng)于1976～1982年研制成功，它可以傳送中等碼速的數(shù)字信號(hào)。其工作波長為1.30，損耗為0.5dB/km，色散的最小值近似為零。

    目前正處在大規(guī)模實(shí)用化的是第三代光纖通信系統(tǒng)。其工作波長為1.31，使用LD可傳輸140～600Mbit/s的高碼速信號(hào)，中繼距離達(dá)30～50km。

    第四代光纖通信系統(tǒng)目前還處在實(shí)驗(yàn)室研制階段。其主要思想是將零色散波長移到1.55，這樣可以使光纖損耗更低，色散為零。

    目前，人們已經(jīng)涉足第五代光纖通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)，稱之為光孤子通信系統(tǒng)。光孤子通信系統(tǒng)具有超長距離的傳輸能力，其應(yīng)用潛力是巨大的。但是光孤子通信系統(tǒng)目前尚處于研究開發(fā)階段，要真正進(jìn)入實(shí)用化還需要解決一系列實(shí)際應(yīng)用問題。

三、 我國光纖通信的發(fā)展

    在國外光纖通信的研究起步不久，我國從1974年就開始了光纖通信的基礎(chǔ)研究，并在幾年之內(nèi)就取得了階段性的研究成果。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代末進(jìn)行了光纖通信系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)。80年代主要進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化攻關(guān)，完成了武漢市話中繼實(shí)用化工程，武漢-荊州多模光纜34Mbit/s省內(nèi)干線工程以及合肥-蕪湖140Mbit/s單模光纜一級(jí)干線工程等，為大規(guī)模推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。90年代初期，我國開始了光纖通信系統(tǒng)的大量建設(shè)，光纜逐漸取代電纜，并完成了“八縱八橫”國家干線。這些干線主要是采用PDH140Mbit/s系統(tǒng)。隨著市場需求量的增加以及技術(shù)水平的不斷提高，逐漸采用了SDH622Mbit/s和2.5Gbit/s系統(tǒng)。鄭州-洛陽-開封的16×2.5Gbit/s和上海-南京的32×10Gbit/s的波分復(fù)用數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的研究開發(fā)與投入商用等工作正在加速進(jìn)行之中。此外，國產(chǎn)的光器件產(chǎn)品在國際市場也具有較強(qiáng)的競爭力。由此可見，我國已具有大力發(fā)展光纖通信的綜合實(shí)力。

    1982年建武漢市話中繼光纜（0.85窗口、3.5dB/km，多模、8Mbit/s、13.5km），1988年建第一條國產(chǎn)設(shè)備長途直埋光纜蘭州至武威工程（1.30窗口、1.2dB/km，多模、140Mb/s、286km），1989年起大量用單模光纖建線路。至2000年底，光纜總長度達(dá)125萬公里（其中長途干線光纜28.6萬公里，中國電信23萬公里、中國聯(lián)通5.6萬公里），通達(dá)250多個(gè)地市，總用光纖約3000萬公里。上述線路基本上是G.652單模光纖（只有京九光纜放了六根G.653光纖），且1995年前只開通1310nm窗口，1995年后才開通1550nm窗口。傳輸速率九十年代末期才開始從622Mb/s提升到2.5Gb/s。這兩年新建線路用到10Gb/s，波分復(fù)用最高達(dá)32，總傳輸容量達(dá)320Gb/s（32×10Gb/s）。1999年開始較多使用G.655光纖。

    在光纖研制方面，我國對(duì)國際上現(xiàn)有的光纖類型都在跟蹤研究并有了成果，武漢郵科院和長飛公司研制的非零色散位移光纖已經(jīng)實(shí)用。其他如色散補(bǔ)償光纖、偏振保持光纖、摻餌光纖、數(shù)據(jù)光纖、塑料光纖等均能達(dá)到生產(chǎn)階段。光有源器件的研制在摻餌光纖激光器、主動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光器、被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光器、光纖光柵激光器、增益平坦EDFA、高增益低噪聲EDFA、摻餌光纖均衡放大器、DFB-LD與EA型外調(diào)制器的集成器件等方面都有顯著進(jìn)展。

    總的說來，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都是要與人類生活相適應(yīng)的。目前社會(huì)，很多產(chǎn)品都在向小型化、集成化方向發(fā)展，光纖通信領(lǐng)域的設(shè)備也不例外，而其技術(shù)則在向越來越有利于人類的方向發(fā)展，這些技術(shù)、設(shè)備的進(jìn)步都是在我們的研究中不斷進(jìn)步的，我國的光纖通信技術(shù)還需要我們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究發(fā)展。

本博客推薦文章：http://blog.sina.com.cn/s/blog_99096bb00100z5ma.html