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光纤通信技术的发展史及其现状 【内容摘要】 光纤通信符合了高速度、大容量、高保密等要求，但是，光纤通信能实际应用到人类传输信息中并不是一帆风顺的，其发展中经历了很多技术难关，解决了这些技术难题，光纤通信才能进一步发展。 本文从光源及传输介质、光电子器件、光纤通信系统的发展来展示光纤通信技术的发展。 【关键词】 光纤通信技术光纤光缆 光有源器件 光无源器件 光纤通信系统 【正文】 光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。 光纤通信是将要传送的图像、数据等信号调制到光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。 将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。 光纤通信技术的形成 早期的光通信 光无处不在，这句话毫不夸张。在人类发展的早期，人类已经开始使用光传递信息了，这样的例子有很多。 打手势是一种目视形式的光通信，在黑暗中不能进行。白天太阳充当这个传输系统的光源，太阳辐射携带发送者的信息传送给接收者，手的动作调制光波，人的眼睛充当检测器。 另外，3000多年前就有的烽火台，直到目前仍然使用的信号灯、旗语等都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现则又极大地延长了这类目视形式的光通信的距离。 这类光通信方式有一个显著的缺点，就是它们能够传输的容量极其有限。 近代历史上，早在1880年，美国的贝尔（Bell）发明了“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流传送到受话器。 光电话并未能在人类生活中得到实际的使用，这主要是因为当时没有合适的光源和传输介质。其所利用的自然光为非相干光，方向性不好，不易调制和传输；而以空气作为传输介质，损耗会很大，无法实现远距离传输，又易受天气影响，通信极不稳定可靠。 如此看来，这种光电话并没有太大的实际应用价值，然而，我们不得不说，光电话仍是一项伟大的发明，它的出现证明了用光波作为载波传输信息是可行的，因此，把贝尔光电话称为现代光通信的雏形毫不过分。 现代光纤通信技术的形成 随着社会的发展，信息传输与交换量与日俱增，传统的通信方式已不能满足人们的需要。为了扩大通信容量，通信方式从中波、短波发展到微波、毫米波，这实际上就是通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。 继续提高频率，达到光波波段，光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，而频率则为Hz数量级，这比常用的微波频率高～倍。如此看来，用光波作为载波进行通信，通信容量将大大超过传统通信方式。 要发展光通信，最重要的问题就是要寻找适用于光通信的光源和传输介质。 1970年，光纤和激光器这两个科研成果同时问世，拉开了光纤通信的帷幕，所以我们把1970年称为光纤通信的“元年”。 光源 1960年，美国的梅曼（max.book118.coman）发明了红宝石激光器，它可以产生单色相干光，使高速信息的光调制成为可能。 和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。 但是，红宝石激光器发出的光束不容易耦合进光纤中传输，其耦合效率是极低的，因此需要研制小型化的激光光源。 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（－200 ）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续工作的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）。虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年），外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器，1979年美国电报电话（AT&T）公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55的连续振荡半导体激光器。 激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。 传输介质 大气 1961～1970年，人们主要研究利用大气传输光信号。美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和激光器进行了大气激光通信试验。试验证明用承载信息的光波通过大气的传播实现点对点的通信是可行的，但是大气传输光通信存在很多严重的问题： 通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30dB/km的衰减，浓雾衰减高达120dB/km。 大气的密度和温度很不均匀，造成折射率的变化，加上大气湍流的影响，光束位置可能会发生偏移和抖动。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。 大气传输设备要求设在高处，收、发设备必须直线可见。这种地理条件使得大气传输通信的适用范围具有很大的局限性。 虽然，固体激光器（例如掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器）的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用，但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。 为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导和透射镜波导相似，是用与光束传输方向成角的两个平行反射镜代替透镜而构成的。 这两种波导从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。 光纤 为了发展光通信技术，人们又考虑和尝试了各种传输介质，其中包括利用玻璃材料制成光导纤维来传输光信号，但是当时最好的光学玻璃材料的损耗在1000dB/km以上，这么高的传输损耗根本就无法用于通信。 1966年，美籍华人高锟（max.book118.com）和霍克哈姆（max.book118.comham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。 1970年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁 Corning 公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。因此，光纤通信开始可以和同轴电缆通信竞争，世界各国相继投入大量人力物力，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高，进而将梯度折射率多模光纤的衰减系数降至4dB/km。 1973年，美国贝尔实验室研制的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降到了1.1dB/km。 1976年日本电报电话（NTT）公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km（波长1.2）。 在以后的10年中， 1.55波长处的光纤损耗（如图2所示）：1979年是20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。 1976年，在进一步设法降低玻璃中的（氢氧根）含量时，发现光纤的衰减在长波max.book118.com低损耗窗口。 1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作为光源，多模光纤作为传输介质，速率为44.736Mbit/s、传输距离约10km，这一试验使光纤通信向实用化迈出了第一步。 1980年，原材料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，从而加快了光纤的传输max.book118.com.55的进程。特别是制出了低衰减光纤，max.book118.com/km，已接近理论值。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源，即激光器、发光管和光检测器。应运而生的光纤成缆、光无源器件、性能测试及工程应用仪表等技术的日趋成熟，都为光纤光缆作为新的通信传输媒质奠定了良好的基础。 1981年以后，世界各发达国家将光纤通信技术大规模地推入商用。历经20余年的突飞猛进的发展，光纤通信速率已由1978年的45Mbit/s（例如美国MCI于1991年开通了Chicago至St.Louis全长275英里的4×10Gbit/s的商用光纤通信系统等）。 光纤通信技术现状及其发展 从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分。 光纤光缆 光纤本身所固有的优点及其技术的进步使其成为当今社会信息传输的主要媒介。 图3展示了北美消费的光缆较多，占了全球近25%，其次为欧洲。全球光纤的消费额逐年增加，由此看出，光纤的市场需求量在增加，其应用越来越广。 图4展示了单模、多模光纤的消费额总体在增加，结合图5、图6又可以知道单模光纤的市场份额有所下降，多模光纤的应用则变得较为广泛。 光电子器件 光有源器件 光检测器 常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。 光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。 由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。因此，光电检测器的噪声要求很小。 另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。 光放大器 光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－－随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。80年代后期，掺稀土元素的光纤放大器脱颖而出，并很快达到实用水平，应用于越洋的长途光通信系统中。目前能用于光纤通信的光放大器主要是半导体激光放大器和掺稀土金属光纤放大器，特别是掺饵光纤放大器（EDFA）倍受青睐。1985年英国南安普顿大学首次研制成掺饵光纤，1989年以后掺饵光纤放大器的研究工作不断取得重大突破。由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里，光纤系统的容量竟增加了一个数量级。而在1982年到1990年的8年时间里，光纤系统的容量才只增加了一个数量级。光放大器的作用和光纤传输容量的突飞猛进，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：max.book118.com。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。掺饵光纤放大器工作在1.55窗口，该窗口光纤损耗系数比1.31窗口低（仅0.2dBkm）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。掺镨光纤放大器工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90％都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。非线性的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破光纤拉曼放大器是利用光纤的非线性光学效应――受激拉曼散射效应产生的增益机理而对光信号进行放大的。其优点是传输线路与放大线路同为光纤，因此，放大器与线路的耦合损耗小，噪声较低，增益稳定性较好。但需要很大的泵浦功率（数百毫瓦）和很长的光纤（数公里）。另外，光纤拉曼放大器的特性对光纤的偏振状态十分敏感。因此，光纤拉曼放大器目前还不能用于光纤通信 光无源器件 光无源器件是光纤通信系统的重要组成部分，在光纤通信向大容量、高速率发展的今天，光无源器件显得尤为重要。今年来，新材料、新工艺和新产品在不断涌现，光无源器件正面临一个迅速发展的时期。 光纤活动连接器 光纤（缆）活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、光纤与有源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。在进一步提高光纤活动连接器性能的基础上，使其向小型化、集成化方向发展。 进一步提高光纤活动连接器性能指标 目前的插入损耗范围在0.1dB～0.5dB，平均值为0.3dB，相对过高且变化范围大。随着加工精度的提高，争取将平均值降到0.1dB以下，变化范围缩小至0.2dB左右。 改变插针端面的几何形状是提高回波损耗的有效手段。可以预期，端面为平面形状的插针将会逐渐被淘汰，球面和斜球面的插针会同时存在，而且球面插针的需要量仍将占主要地位。 此外，采用镀膜工艺等新的加工技术来提高回波损耗可以降低零件的加工精度要求，并可提高两接器的一致性和互换性。 小型化 随着光纤接入网的发展，目前使用的连接器已显示出体积过大、价格太贵的缺点，因此小型化是光纤活动连接器的发展方向。 光纤活动连接器小型化的一种方法是缩小单芯光纤连接器尺寸，开发小型化（SFF）的连接器，如瑞士Diamond公司的E-2000型连接器，美国朗讯公司的LC型连接器以及日本NTT公司的MU型连接器等，它们的插针直径只有1.25mm。 连接器小型化的另一种方法是开发适应带状光纤的多芯光纤连接器，即MT型系列光纤连接器。带状光缆具有可集成的优势，是今年来迅速发展的一个光缆品种，它具有以下优点：体积小、重量轻、密集度高；采用注塑成型，一致性好，适于大批量生产；具有较低的插入损耗；具有良好的稳定性。随着干线网、用户网和局域网的发展，带状光缆连接器将成为连接器发展的方向。 集成化 光纤活动器不仅仅只有连接功能，还具有其它功能，因此，集成化是其发展的一个重要方向。现在已经出现了一些集成化的多功能产品，如外形与各种变换器一样的固定衰减器；既可作为FC型转换器，又可以对光的衰减量连续可调（0～25dB）的小型可变衰减器等。 光纤活动连接器的集成化，不但增加了连接器的功能，而且更重要的是体高其它器件的密集度和可靠性，给使用者带来极大方便。 固定连接器 固定连接器又称固定接头或接线子，它能够把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性连接。固定接头的制作方法按其工作原理有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。 光纤熔接机正朝着两个方向发展：一是向全自动、多功能方向发展；二是向小型化、简易化方向发展。目前普遍使用的全自动光纤熔接机设备笨重，价格昂贵。今后这一机型会朝着提高精度、降低成本、尤其是增加连接芯数的方向发展。 同时，随着光纤应用领域的扩大及用户不同的需要，对光纤熔接技术的要求也逐渐趋于多样化。因此，研制小型和超小型熔接机就成为第二个发展方向。同时致力于多芯光纤熔接机和保偏光纤熔接机的研究生产。 对于其它几种固定连接器而言，插入损耗和回波损耗这两个指标上都落后于光纤熔接机所制作的固定接头。要想提高这几种接头的加工精度，研制更适合的匹配液是一种比较有效的办法，目前许多厂家正致力于这方面的研究。此外，V