光纖通信OpticalFiberCommunication什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。什么是通信？“通”傳送，“信”信息；信息的傳送基本組成：發(fā)送、傳輸、接收什么是光纖通信？利用激光作為信息的載波信號，并通過光纖來傳送信息的通信系統(tǒng)。光纖通信是人類科學(xué)技術(shù)的重大突破，光纖通信已成為現(xiàn)代信息社會的神經(jīng)系統(tǒng)光纖----信息社會的標志

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息信息指用戶要求傳送的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及它們的各種組合用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動通信發(fā)送機接收機傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端信息信息用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備信息信息光纖通信經(jīng)過30年的技術(shù)發(fā)展目前正在淘汰著其他的有線通信方式光纖通信技術(shù)的主要優(yōu)點光波頻率很高，光纖傳輸?shù)念l帶很寬，故傳輸容量很大，理論上一根光纖可通上億門話路或上萬套電視，可進行圖像、數(shù)據(jù)、傳真、控制等多種業(yè)務(wù)；不受電磁干擾，保密性好；耐高溫、高壓、抗腐蝕，工作可靠；光纖材料來源豐富，可節(jié)約大量銅、鋁，且直徑小、重量輕，性價比好。圖1.1部分電磁波頻譜圖1.1是相關(guān)的電磁波頻譜。光纖通信用的近紅外光(波長為0.7~1.7μm)頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個波長窗口頻帶寬度在20THz以上。(0.7μm~430THz,1.7μm~180THz)由于光源和光纖特性的限制，目前，光強度調(diào)制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個數(shù)量級以上的帶寬潛力可以挖掘。通信設(shè)備的重量和體積對許多領(lǐng)域特別是軍事、航空和宇宙飛船等方面的應(yīng)用，具有特別重要的意義。

在飛機上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設(shè)備的成本，而且降低了飛機的制造成本。例如，在美國A-7飛機上，用光纖通信代替電纜通信，使飛機重量減輕27磅(約12.247kg)，相當于飛機制造成本減少27萬美元。

總之，光纖通信不僅在技術(shù)上具有很大的優(yōu)越性，而且在經(jīng)濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發(fā)揮越來越重要的作用。光纖通信器件的發(fā)展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話------大氣激光通信激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖

貝爾光電話的傳輸距離很短，并沒有實際應(yīng)用價值,然而，光電話仍是一項偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性,貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望，和普通光相比，激光具有高亮度，高方向性，高單色性(光譜寬度窄),以及高相干性(頻率和相位較一致)。激光是一種高度相干光，激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。大氣激光通信二十世紀六十年代,美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明：用承載信息的光波，通過大氣的傳播，實現(xiàn)點對點的通信是可行的。但通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實現(xiàn)“全天候”通信。但大氣激光通信仍有重要應(yīng)用,在某些特定場合,如江河兩岸、海島之間、小區(qū)樓房之間宇宙空間、大氣海洋之間(蘭綠光)等。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)。該系統(tǒng)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡或反射鏡，從理論上講是可行的，但在實際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場施工中校準和安裝十分復(fù)雜；其次，為了防止地面活動對波導(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)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。

現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(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(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代光纖通信當時石英纖維的損耗高達1000dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，而是由于材料中的雜質(zhì)，例如過渡金屬(Fe、Cu等)離子的吸收產(chǎn)生的。材料本身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。因此有可能通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖。

如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纖損耗減小到10dB/km。再通過改進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾dB/km。這個思想和預(yù)測受到世界各國極大的重視。

1970年，光纖研制取得了重大突破。在當年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景。1972年康寧公司高純石英多模光纖損耗4dB/km1973年貝爾(Bell)實驗室2.5dB/km1974年貝爾(Bell)實驗室1.1dB/km1976年日本電報電話(NTT)公司0.47dB/km1979年0.20dB/km,1984年0.157dB/km1986年0.154dB/km，接近光纖損耗的理論極限1970年，作為光纖通信用的光源也取得了實質(zhì)性的進展。當年，美國貝爾實驗室、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℃)或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。

雖然壽命只有幾個小時，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)體激光器壽命達到7000小時。1977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達到10萬小時(約11.4年)，完全滿足實用化的要求。在這個期間，1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。

由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。

1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質(zhì)，速率為44.7Mb/s，傳輸距離約10km。1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7Mb/s。隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，穿越22個州光纜總長達5×104km。1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s，傳輸距離為64km的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400km，初期傳輸速率為400Mb/s，后來擴容到1.6Gb/s。隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成，全長6400km；第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成，全長13200km。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。1966年高錕提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念以來，光纖通信從研究到應(yīng)用，發(fā)展非常迅速：技術(shù)上不斷更新?lián)Q代，通信能力(傳輸速率和中繼距離)不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。

1976年美國亞特蘭大第一個實用光纖通信系統(tǒng)試驗1986年光纖通信系統(tǒng)在全球廣泛應(yīng)用(從提出光纖作為傳輸介質(zhì)的概念,到用廣泛應(yīng)用,20年時間)高錕------光纖之父

光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程光纖通信追求目標:大容量、長距離技術(shù)發(fā)展：短波長-長波長、多模光纖-單模光纖、多模激光器-單模激光器通信系統(tǒng)容量：比特率-距離積BL，B比特率，

L中繼距離每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)目。光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為：工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模10～100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模單模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模2.5Gb/s～10Gb/s100Km光纖通信技術(shù)的發(fā)展大體上可分為:（續(xù)）工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（環(huán)路）1500Km光放大系統(tǒng)第五代1550nm單模單模波分復(fù)用WDM單路速率:40,160,640Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距離:27000Km(Loop)6380(Line)目前研究內(nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件光纖通信技術(shù)的三次飛躍(1)20世紀60年代。1962年第一只半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標志著光纖通信系統(tǒng)的實際研究條件得以具備。20世紀70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達到了10萬小時的實用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進了實用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(2)20世紀90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實用化。光纖通信技術(shù)的三次飛躍(3)光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時傳輸一百多路信號，采用特殊技術(shù)甚至可以同時傳輸1022路單路速率不斷提升，已達到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達640Gb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬公里的長距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀的通信業(yè)務(wù)全球通信業(yè)務(wù)需求估計用戶增加；每個用戶的業(yè)務(wù)量增加；服務(wù)質(zhì)量的提高；通信容量需求急增光纖通信最具代表性技術(shù)

－波分復(fù)用WDM和光纖放大器EDFA

40G器件關(guān)鍵原材料光纖預(yù)制棒網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)測試設(shè)備光纖光纜光傳輸/交換設(shè)備光無源器件光有源器件運營商網(wǎng)絡(luò)集成商光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈全球光纖通信主要供應(yīng)商ComponentsandModulesinDWDMNetworks

DWDMThinfilmfiltersFibergratingsWaveguidesCirculatorsInterleaversMux/Demux

modulesAmplifiersIsolatorsTapcouplersPumplasersGainequalizersAttenuatorsIntegrated

amplifiersSOAsOpticalSwitchesCirculatorsCouplersAdd/dropmodulesSwitchingTransmissionSourcelasersModulatorsWavelockersReceiversDetectorsTx/RxmodulesOver9000Products

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成由光發(fā)射機、光纖光纜、中繼器與光接收機等基本單元組成。此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。光源調(diào)制器驅(qū)動電路光發(fā)射機放大器光電二極管判決器光接收機光纖光纖中繼器光纖的研究光纖：將光信號從光發(fā)射機無失真地傳送到光接收機。基本特性參數(shù)：損耗（dB/km）：直接影響通信距離。色散（ps/nm.km）：將引起光脈沖信號展寬和碼間串擾，影響通信距離和容量。為實現(xiàn)高速長距離傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散特性。近四十年的努力尋找合適的光纖，實用化的光損耗為20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的實用化光纖不斷涌現(xiàn)