【正文】 11 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1 2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 第 1 章 概 論 返回主目錄 第 1 章 概論 中國(guó)古代用 “ 烽火臺(tái) ” 報(bào)警 ， 歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息 ， 這些都可以看作是原始形式的光通信 。 望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn) ， 又極大地延長(zhǎng)了這種目視光通信的距離 。 1880年 ， 美國(guó)人貝爾 (Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的 “ 光電話 ” 。 這種光電話利用太陽(yáng)光或弧光燈作光源 ， 通過(guò)透鏡把光束聚焦在送話器前的振動(dòng)鏡片上 ， 使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化 ， 實(shí)現(xiàn)話音對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制 。 在接收端 ， 用拋物面反射鏡把從大氣傳來(lái)的光束反射到硅光電池上 ， 使光信號(hào)變換為電流 ， 傳送到受話器 。 由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有理想的光源和傳輸介質(zhì) ， 這種光電話的傳輸距離很短 ， 并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 ， 因而進(jìn)展很慢 。 然而 ， 光電話仍是一項(xiàng)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 。 因此 ， 可以說(shuō)貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型 。 1960年 ， 美國(guó)人梅曼 (Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器 ， 給光通信帶來(lái)了新的希望 ， 和普通光相比 ， 激光具有波譜寬度窄 ， 方向性極好 ， 亮度極高 ， 以及頻率和相位較一致的良好特性 。 激光是一種高度相干光 ， 它的特性和無(wú)線電波相似 ， 是一種理想的光載波 。 繼紅寶石激光器之后 ， 氦 —氖 (He Ne)激光器 、 二氧化碳 (CO2)激光器先后出現(xiàn) ， 并投入實(shí)際應(yīng)用 。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用 ， 使沉睡了 80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段 。 在這個(gè)時(shí)期 ， 美國(guó)麻省理工學(xué)院利用 He Ne激光器和 CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn) 。 實(shí)驗(yàn)證明：用承載信息的光波 ， 通過(guò)大氣的傳播 ， 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的 ， 但是通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)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 。 例如 ， 雨能造成 30 dB/km的衰減 ， 濃霧衰減高達(dá) 120 dB/km。 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 。 因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制 ， 不能實(shí)現(xiàn) “ 全天候 ” 通信 。 雖然 ， 固體激光器 (例如摻釹釔鋁石榴石 (Nd: YAG)激光器 )的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率 ， 延長(zhǎng)了傳輸距離 ， 使大氣激光通信可以在江河兩岸 、 海島之間和某些特定場(chǎng)合使用 ， 但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒(méi)有解決 。 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) 。 透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡 ， 每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷?huì)聚到下一個(gè)透鏡而實(shí)現(xiàn)的 。 反射鏡波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)相似 ， 是用與光束傳輸方向成 45176。 角的二個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的 。 這兩種波導(dǎo) ， 從理論上講是可行的 ， 但在實(shí)際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難 。 首先 ， 現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次 ， 為了防止地面活動(dòng)對(duì)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(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì) ， 對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮 。 1966年 ， 英籍華裔學(xué)者高錕 ()和霍克哈姆()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 (Optical Fiber)進(jìn)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) 。 當(dāng)時(shí)石英纖維的損耗高達(dá) 1000 dB/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(guò)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(zhǎng)的四次方而下降 ， 其損耗很小 。 因此有可能通過(guò)原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)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 106以下 ， 就可以使光纖損耗減小到 10 dB/km。 再通過(guò)改進(jìn)制造工藝的熱處理提高材料的均勻性 ， 可以進(jìn)一步把損耗減小到幾 dB/km。 這個(gè)思想和預(yù)測(cè)受到世界各國(guó)極大的重視 。 1970 年 ， 光纖研制取得了重大突破 。 在當(dāng)年 ， 美國(guó)康寧(Corning)公司就研制成功損耗 20 dB/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(jìng)爭(zhēng) ， 從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景 ， 促進(jìn)了世界各國(guó)相繼投入大量人力物力 ， 把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段 。 1972年 ， 康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到 4 dB/km。 1973 年 ， 美國(guó)貝爾 (Bell)實(shí)驗(yàn)室取得了更大成績(jī) ， 光纖損耗降低到 。 1974 年降低到 。 1976 年 ， 日本電報(bào)電話 (NTT)公司等單位將光纖損耗降低到 dB/km(波長(zhǎng) )。 在以后的 10 年中 ， 波長(zhǎng)為 μm的光纖損耗： 1979 年是 dB/km， 1984年是 dB/km， 1986 年是 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限 。 1970 年 ， 作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 。 當(dāng)年 ， 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(lì)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(zhǎng) )。 雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí) ， 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(dá)到 7000小時(shí) 。 1977 年 ， 貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到 10萬(wàn)小時(shí) (約 )， 外推壽命達(dá)到 100萬(wàn)小時(shí) ， 完全滿足實(shí)用化的要求 。 在這個(gè)期間 ， 1976年日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為 μm的銦鎵砷磷 (InGaAsP)激光器 ， 1979年美國(guó)電報(bào)電話 (ATamp。T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為 μm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(jìn)步 ， 使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑 。 1976 年 ， 美國(guó)在亞特蘭大 (Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) ， 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 Mb/s， 傳輸距離約 10 km。 1980 年 ， 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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 Mb/s。 隨后美國(guó)很快敷設(shè)了東西干線和南北干線 ， 穿越 22個(gè)州 光纜總長(zhǎng)達(dá) 5 104 km。 1976 年和 1978 年 ， 日本先后進(jìn)行了速率為 34 Mb/s， 傳輸距離為 64 km的突變型多模光纖通信系統(tǒng) ， 以及速率為 100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn) 。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線 ， 全長(zhǎng) 3400 km， 初期傳輸速率為 400 Mb/s， 后來(lái)擴(kuò)容到 Gb/s。 隨后 ， 由美 、 日 、 英 、 法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成 ， 全長(zhǎng) 6400