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1、第 1 章 概 论 第1章 概 论 1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.2 光纤通信的优点和应用 1.3 光纤通信系统的基本组成 第 1 章 概 论 1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息，这 些都可以看做是原始形式的光通信。望远镜的出现，又极大 地延长了这种目视光通信的距离。 第 1 章 概 论 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话 音的“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
2、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。由于当时没有理想的光源 和传输介质，这种光电话的传输距离很短，并没有实际应用 价值，因而进展很慢。然而，光电话仍是一项伟大的发明， 它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。因此，可以说 贝尔光电话是现代光通信的雏形。 第 1 章 概 论 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光 器，给光通信带来了新的希望，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。继红宝石激光器之后，氦-氖 (
3、He-Ne)激光器、 二氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实 际应用。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。 第 1 章 概 论 在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激 光器进行了大气激光通信试验。实验证明：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，暴雨能造成312 dB/km的衰减，浓雾衰减高达60200 dB/km。另一方面，大气 的密度和温度不均匀，造成折射率的变化，使光束位置发生偏 移。因而通信的距离和稳定性都
4、受到极大的限制，不能实现“全 天候”通信。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。 第 1 章 概 论 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。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45角的两 个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种
5、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谷。 第 1 章 概 论 1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆 (C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：
6、这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到106以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。 第 1 章 概 论 1970 年，光纤研制取得了重大突破。在当年，美国康宁 (Corning)公司就研制成
7、功损耗20 dB/km的石英光纤。它的意义在 于：使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通 信美好的前景，促进了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，康宁公司高纯石 英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室 取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5 dB/km。1974 年降低到1.1 dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降 低到0.47 dB/km(波长1.2 m)。在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157
8、dB/km， 1986 年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。 第 1 章 概 论 1970 年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。 当年，美国贝尔实验室、 日本电气公司(NEC)和当时的苏联先 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振荡的镓铝砷(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7000小时。1977 年，贝尔实验室研制的半导体 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
9、 ，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 m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1.55m的连续振荡半导体激光器。 第 1 章 概 论 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信 发展的一个重要年份。 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤 通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源，多模光纤作传 输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。1980 年，美国标准化 FT-3光纤通信系统投入商
10、业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为 44.7 Mb/s。随后美国很快敷设了东西干线和南北干线，穿越22个州， 光缆总长达5104 km。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s，传输距离为64 km的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北 的光缆长途干线，全长3400 km，初期传输速率为400 Mb/s，后来扩 容到1.6 Gb/s。随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT- 8海底光缆通信系统于1988年建成，全长6400 km；第一条横跨 太平洋TPC-3/HAW- 4海底光缆
11、通信系统于1989年建成，全长13 200 km。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球 通信网的发展。 第 1 章 概 论 自从 1966 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来， 光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换 代，通信能力(传输速率和中继距离)不断提高，应用范围不 断扩大。光纤通信的发展可以粗略地分为四个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用 的开发时期。在这个时期，实现了短波长(0.85 m)低速率 (45或34 Mb/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离(即中继 器之间的间距，简称中继距离)约10 km。 第 1 章 概
12、论 第二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加 传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。在这个 时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长(0.85m) 发展到长波长(1.31 m和1.55 m)，实现了工作波长为1.31 m、传输速率为140565 Mb/s的单模光纤通信系统，无中 继传输距离为50100 km。 第 1 章 概 论 第三阶段(19861996年)，这是进一步提高传输速率、 增加传输距离并全面深入开展新技术研究的时期。在这个时 期，实现了1.55 m色散移位单模光纤通信系统。采用外调 制技术，传输速率可达2.510 Gb/s，中继传输距离可达 10015
13、0 km。实验室可以达到更高水平。 第四阶段(1996年至今)实现了超大容量的波分复用 (WDM，Wavelength Division Multiplexing,)光纤通信系统及 基于WDM和波长选路的光网络；正在研究超长距离的光孤 子(Soliton)通信系统(将在第 7 章作介绍)。 第 1 章 概 论 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1976年，美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤 通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通 信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m，传输速率从几十Mb/s发展到几 十Gb/s。另一
14、方面，随着技术的进步和大规模产业的形成， 光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的本地电话 网的局间中继线到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数 字电话到有线电视(CATV)，从单一类型信息的传输到多种 业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光 纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 第 1 章 概 论 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济 中占重要地位。根据资料，仅光缆产品一项(约占整个光纤通 信产品的一半)，1995年在世界市场销售额达80亿美元，2000 年达180亿美元，5年中复合年增长率(CAGR)为17.6%。世界成 缆光纤市场销售量，1994年
15、为1810104 km，2001年为 6570104 km，7年中CAGR为20%，每年数据见表1.1。市场销 售额和市场销售量的年增长率不同，主要是由于光纤价格呈下 降趋势，见表1.2。在1995年光缆市场销售额的80亿美元中， 单模占59亿美元，为74%。同年成缆光纤销售量的2300104 km中，单模为2130104 km，占93%。两者的比例不同，是由 于单模光纤比多模光纤便宜的结果。 第 1 章 概 论 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 光纤 销售 总长 度/104 km 1810 2300 2900 3470 4070 4730
16、5580 6570 表 1.1 世界成缆光纤市场销售量 第 1 章 概 论 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 价格 /($km -1) 6867726960524644 表 1.2 世界市场单模光纤平均价格 第 1 章 概 论 到1998年底，仅单模光纤的销售量就达到4110104 km，见表1.3。随着光纤产量的增加，价格逐年下降，促进 了光纤在各个领域的应用和新技术的研究，推动着光纤产业 不断向前发展。 第 1 章 概 论 表 1.3 世界成缆单模光纤市场销售量 年份 1998 1999 2000 2001 2002 2003 光纤 销售 总长 度/104 km 4110 4600 5350 6230 7200 8110 第 1 章 概 论 1998年我国国内公共电信网形成了连接全国各省市区的 “八横八纵”光缆骨干传输网，标志着传输网的技术和规模进 入世界先进行列。在光纤光缆方面，从1995年起，我国在全 球光纤光缆市场中一直居第三位，年增
