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 返回主目录
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 返回主目录
第1章概论 1.1.纤通信发展的历史和现状 111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, 这些都可以看作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。 1880年,美国人贝尔(Bel)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
第 1 章 概论 1.1 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， 这些都可以看作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。 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型 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 种理想的光载波。继红宝石激光器之后,氦一氖(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
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型。 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(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
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,雨能造成30 dB/km的衰减,浓雾衰减高达120dB/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
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，雨能造成30 dB/km的衰减， 浓雾衰减高达120 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
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 安裝一个透镜,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°角的二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
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°角的二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
1.12现代光纤通信 1966年,英籍华裔学者高锟( CK 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 定了现代光通信一光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高 达1000dB/km以上,高锟等人指出: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
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：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10dB/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 1970年,光纤研制取得了重大突破。在当年,美国康宁 ( Corning)公司就研制成功损耗20dB/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4dB/km。1973年,美国贝尔(Bel)实 验室取得了更大成绩,光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低 到1.1dBkm。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1.2um)
如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6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。 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2.5dB/km。1974 年降低 到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0.47 dB/km(波长1.2μm)
在以后的10年中,波长为1.55m的光纤损耗:1979年 是0.20dB/km,1984年是0.157dB/km,1986年是0.154 dB/km,接近了光纤最低损耗的理论极限。 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114年),外推寿命达到100万小时,完全 满足实用化的要求
在以后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗：1979 年 是0.20 dB/km， 1984 年是0.157 dB/km，1986 年 是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 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，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1.3μm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 um的连续振荡半导体激光器 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里程碑。 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447Mb/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业应用, 系统采用渐变型多模光纤,速率为447Mb/s
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 μm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 μm的连续振荡半导体激光器。 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里程碑。 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5×104km。1976年和1978年,日本先后进行了速 率为34Mb/s,传输距离为64km的突变型多模光纤通信系统, 以及速率为100Mb/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3400km,初期 传输速率为400Mb/s,后来扩容到1.6Gb/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6400km;第一条横跨太平洋TPC-3/HAW4 海底光缆通信系统于1989年建成,全长13200km。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
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5×104 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
