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1、简述光纤通信的发展中国古人运用烽火来传递信息，光信号的历史至少可以上溯到 2000 多年前。烽火的信号传递距离大约在十米级，而 40 多年前诞生的光纤通信方式已将万米级别的信号传输是现在日常生活中。一根玻璃纤维材质、比头发丝更细的光纤，替代铜线而成为长距离通讯线路这使得今天的人能够跨大洋同时分享互联网的头条信息，文本、图像、视频的方式都一样无损而同步。只有当因为地震等意外因素导致海底光缆损坏的时候，办公室中才会发生打开国外网站速度变慢、无法登录 msn 等问题。在这个时候，非通信专业的人们才会隐约意识到光纤这种只有几十年历史的新材料的重要性。 “我最希望未来的网络用户能够免费上网” ，光纤之父
2、高锟一语提醒互联网时代的人们，其实我们就一直身处在通信方式革新的黄金时期。理论先行：谁都不相信的设计时间回到 1960 年代，那是现代社会和技术同时剧烈变化的时代。在 1960年代，电脑进入家庭成为个人用品、利用光波作为载波来传送信息，都仍处在不关乎实际的想象阶段中。光纤之所以能实现远距离信息传输的新时代，其基本原理在于光线的全反射现象。当光线从一种介质进入另一种介质，比如从空气进入水中、从空气进入玻璃中， 一般情况下都会发生折射和反射现象。若以垂直于两种介质接触面的法线为标准，则入射光与它形成的角度称为入射角。这样则反射角与入射角相等，折射角与介质的折射率有关。当在光密介质中传播的光线以很大
3、的入射角射入光疏介质时， 只要这个入射角大到一定程度，这束光线将完全反射回来，而不再有折射光进入光疏介质。这就是光线的全反射现象，而这个入射角的具体大小取决于两种介质的折射率。早在 1870 年，英国人 J 0 h nTyndal l 就在一本书中写到了光的全反射现象。他这样描述，当光线从空气传播入水中，折射光发生一定角度的弯曲。当光束从水中进入空气，折射光有一定角度弯曲。在从水中射向空气的光束其入射角大于 48 度的时候，这束光将不再有离开水的现象而完全从临界面反射回来。并且 Tyndal1 总结出了三种物质的这个临界角：水的临界角度是 48。27 ，火石玻璃的临界角度是 38。41 ，钻石
4、的临界角度是 23。42 。只要能找到合适的材料，应用这种材料的全反射特性，就能让一束光不断地在其中反射而直至它传播到指定的地点。1 9 6 3 年，日本东北大学的科学家西泽润一(J Ni shi zawa)提出了用玻璃纤维作材质来进行远距离传输， 同时他也成功发明了相应的设备。几乎同时，英国籍科学家高锟(cK KA0)也正在进行低损耗光纤传输的研究。他在此后一两年问，从理论上指出，只要从材质上实现每千米 2 0 dB 的衰减，就能用光纤进行远距离的信号传播。但是当高锟先生拿这个设想向相关业界推销的时候，专家们几乎一致表示不可行。因为在 1960 年代，即使用最好的导体，光波在其中传播 20
5、米就只剩下百分之一，这样就根本没法实现终端的接收和信号通讯。高锟拜访了通讯领域权威的贝尔实验室，表示愿意出售专利权，对方也不看好这一项技术。还有许多其他研究所也一样。高锟在屡遭否决之后并未放弃，直到 1970 年从事玻璃制造的康宁公司(c 0-n i n gGlass Works)接受了他的想法，并开始着手研制以玻璃为材质的光纤。幻想成真：光波用于远程通讯1966 年，高锟与霍克哈母 (CK HOCKHAM)发表了关于利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径的论文，这一论断成为了后来的远程光纤通信的奠基石。1970 年代，美国康宁公司 (Corning Glas s Works)的专家们制成
6、了原材料为钛掺和石英玻璃的光纤，它的衰减率是 i7dBkm 。又经过几年的探索，以二氧化锗为核心的光纤也被研制出来，它的衰减率为 4dBkm 。在光纤研制取得重大突破的同时，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年代成为了长程光纤梦想照入现实的年代。此后以半导体激光器为光源，以石英光纤作为光的传输介质，以半导体光电二极管作为接收器件的光源通信系统迅速发展起来。1976 年还有一个里程碑式的事件。美国亚特兰大(ATLANTA)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验，系统采用 GAALAS 激光器作为光源，多模光纤为传输介质，速率为 44.
7、7MbS，传输距离约 10k m。这一次的现场实验，标志着光纤通信从基础研究跨向商业应用的阶段。此后，光纤通信技术不断发展：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85um 发展到 1.31um 和 1.55um，传输速率也大大增加。第二代光纤通讯在 1980 年代被成功开发投入商用，它的工作波长为1.3um 级别，使用 InGaASP 半导体激光器。1981 年，单模光纤的研发广受期待，它将大幅提高光纤系统的工作性能。到 1987 年，这些系统已能在 50 千米以上中继器的条件下运作，并达到 1.7Gbs 的速度。1986 年在南安普顿大学的 Davi d NPaYne 与 EmmanuelD
8、e survi re 带领团队在贝尔实验室的协作研究中，掺和铒的光纤放大器被研制出来。这在许多情况下大大减少了光一电一光中继器的需要，也降低了长程光纤系统的成本。1991 年，光子晶体的新领域研究也导致了光子晶体光纤的发展。这使光线在核心的传播从完全的内反射变为一个周期性的衍射。第一个光子晶体光纤已在 2000 年上市投入商用。光子晶体光纤的设计可以使它携带高于常规纤维的能量，并且其属性可以被调整来改变它的波长以提高材质在特定应用中的性能。时代交替：铜线传输或成历史1988 年，史上第一条跨大西洋电话线投入使用，它应用的正是 T A T 一 8型光纤。如今，美、日、英、法等 2 0 多个国家已
9、宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。光纤不仅在陆地大量使用，而且还广泛铺设到大西洋、太平洋海底，这些海底光缆使得全球通信变得非常简单快捷。现在不少发达国家已经把光缆铺设到住宅前，为实现光纤到办公室、光纤入家庭做准备。光纤通信尽管只有约 40 年的历史，但它已经成了现代通信网的主要传输手段。它以后将怎样引导人类通信历史的革新也同样令人翘首以盼。近年来，光纤连接器、光缆和光电器件等光纤通信的配套技术曰趋成熟，全球范围内的光纤通信系统也正离普遍化的“FTTH”(布线入宅) 的目标越来越近。这个过程中，光导纤维因固有结构而具备的优势特性也逐渐地展现出来。光纤的基本材质是石英。它传播光的同时
10、不导电，所以光纤也不与电磁场发生作用。光信号在其中传播就对电磁干扰具有很强的抵御能力。同时光纤传输一般不需要信号放大，能避免因为中继放大而发生的非线性失真。光导纤维用光作载波，可见光的频率为 10000OGHz。它的频段比 VHF 无线电频段要高出一百多万倍。载波频率的优势使光纤可传输信号的频带宽度远大于现有载波媒质。尽管由于光纤对不同频率的光损耗率不同，这影响到一定的频带宽度，但最低损耗区的频带宽度也有 3000OGHz。目前，单个光源的带宽只占了可用频带宽度的很小部分(多模光纤的频带约几百兆赫，而好的单模光纤可达 10GHz 以上)。若采用先进的相干光，则可在 30000GHz 范围内安排
11、 2000 个光载波，这样能容纳上百万个频道。现有的 VHF 无线电频段中能传输 20 多套电视和几十套广播节目。二者相比光纤的方式无疑具备了传输容量上的巨大优势。通信系统从原来的金属线转而采用石英作为最基本的光缆材料，这个更新对原料物质也有很大的意义。一方面石英线径细、重量轻，8 根光纤做成的光缆，每公里仅重约 60 公斤，而同样数量的普通电缆则有 4 吨重；另一方面石英从沙子中提取，地球上多的是而且非常便宜，几克石英就能制出一公里长的光纤。用光纤代替普通金属导线就在资源的合理开发上进了一步，这个做法可以节约大量的有色金属。增速百倍：光纤标准投入应用对每一位用户和刚络设计者而言，使用一个信息
12、网络，要关心的有很多方面： 电磁干扰射频干扰(E M IR F I)、带宽、链路距离、数据安全性和网络故障等问题。光纤就是首选的能同时满足上述各项要求的介质。1995 年，TAEIATSB 一 72 标准的出台和 1998 年 TIA 光纤局域网小组 (F0LS)短波长联盟的形成也是一个有力的证明。TSB 一 72 是一种集巾式光纤布线系统的标准。 TSB 一 72 允许光纤布线的距离为 300 米，使网络设计者可以利用长传输距离去将刚络电子设备(如路由器、集线器平和交换机等)集中到一个设备问内。这种结构给用户提供了一个由当前共享带宽环境过渡到交换环境的途径。集中式网络结构增加了网络的灵活性，
13、简化了网络的扩充、移动、变更和管理，减少了网络的故障时问，最重要的是它显著地减少了安装费刷。100MbPS 快速以太网足增长速度最快的一种局域网应用。1995 年IEEE8023u 100ASEFX 标准定义了光纤介质的快速以太网标准。 100BASE FX 标准采用 FDDI 标准的信号编码(4B5B 编码) 方式和物理介质信号部分。它使用长波长(1 300nm)光电器件，而长波长(1300nm)光电器件的价格比短波长(850nm)光电器件的价格高许多。因此，IEEE 十分注意新标准 100BASE Sx 的制定。一些相关的厂商也在 1998 年 1 季度成立了短波长联盟， 以制订采用低成本
14、短波长光纤器件的快速以太网标准。与此同时，我国通信行业的光纤标准也于 1998、1999 年出台。光缆标准YDT979 一 1998(第 1 版) 光纤带技术要求和试验方法是国内关于光纤带的第一个标准。其中规定了光纤带的结构、带的标识、尺寸参数、机械性能、环境性能，及检验方法。在我国，除了在公众通信长途干线上大力发展使用光纤外，已建立了专业光纤通信线路，许多城市的电话局中继线也采用光纤线路。有线电视网也采用光纤传输电视信号到家。光纤通信作为一种现代的通信技术，在信息高速公路的基础设施建设中正在扮演越来越重要的角色。知难而进：不断攻关的新问题光纤通信作为迄今以来最好的信息传输技术，即使是在全球通
15、信行业的低迷时期，它发展也从未停滞过。尽管光纤本身作为缆线的传输已经实现，但完整地考虑一个光纤到桌面的解决方案，不仅要有光纤信息出口和光纤配线箱，还需要考虑光纤商接到桌面后计算机网卡及集线器等设备的问题。因此在各类的光纤到桌面方案中，技术人员会遇到的一个直接问题就是网络设备的造价。即我们平常使用的计算机网卡若被换成光纤网卡，普通集线器的出口也不能再使用了，而是被纯光纤出口的集线器所取代。这样的话由于光纤网卡及光出口的集线器价格非常昂贵，致使整个光纤系统成本大增，所以光纤到桌面现在在国内还基本上只是纸上谈兵。就长远来看，未来的高速通信将由全光网络实现。全光网是应用光纤通信技术的理想阶段。传统的光
16、网络已实现了节点问的全光化，但在网络结点处仍使用电器件，这限制了日前通信网络干线总容量的进一步提高，因此，要扣打造真正的全光网是一个非常重要的课题。全光网络节点之问也是全光化，就要以光节点代替电节点。网络中信息始终以光的形式进行传输与交换，交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而可以根据其波长来决定路由。这样的全光网络能提供巨大的带宽、超大容量、极高的处理速度、较低的误码率。网络结构简单，组网也灵活，并可以随时增加新节点而不必安装信号的交换和处理设备。同时，全光网络的发展不可能独立于众多通信技术之中，它必须要与因特网、ATM 网、移动通信网等相融合，这也是一块全新的领域。大展身手：开拓中的各方用途通信是光纤的一大用武之地。但光纤本身还有诸多的优势应用。光纤通信需要两端的信号转换，而不通过信号转换的情况下，光纤本身就可以承担传光的功能。所以在光纤本身具备的传光特性之中，它所传递的光波可分为两种情况。一是携带信号的光波，这类就是通信用途的光纤传输。二是普通的光波，这类光波的一个直接效应就是能成像。既然能
