【正文】 11 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1 2 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 中國古代用 “ 烽火臺 ” 報警 ， 歐洲人用旗語傳送信息 ， 這些都可以看作是原始形式的光通信 。 望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn) ， 又極大地延長了這種目視光通信的距離 。 1880年 ， 美國人貝爾 (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光或弧光燈作光源 ， 通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上 ， 使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化 ， 實現(xiàn)話音對光強(qiáng)度的調(diào)制 。 在接收端 ， 用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上 ， 使光信號變換為電流 ， 傳送到受話器 。 由于當(dāng)時沒有理想的光源和傳輸介質(zhì) ， 這種光電話的傳輸距離很短 ， 并沒有實際應(yīng)用價值 ， 因而進(jìn)展很慢 。 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 。 因此 ， 可以說貝爾光電話是現(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)入一個嶄新的階段 。 在這個時期 ， 美國麻省理工學(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 。 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合使用 ， 但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決 。 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透鏡 ， 每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷鄣较乱粋€透鏡而實現(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(zhǔn)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 。 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 106以下 ， 就可以使光纖損耗減小到 10 dB/km。 再通過改進(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(dāng)年 ， 美國康寧(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爭 ， 從而展現(xiàn)了光纖通信美好的前景 ， 促進(jìn)了世界各國相繼投入大量人力物力 ， 把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段 。 1972年 ， 康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到 4 dB/km。 1973 年 ， 美國貝爾 (Bell)實驗室取得了更大成績 ， 光纖損耗降低到 。 1974 年降低到 。 1976 年 ， 日本電報電話 (NTT)公司等單位將光纖損耗降低到 dB/km(波長 )。 在以后的 10 年中 ， 波長為 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質(zhì)性的進(jìn)展 。 當(dāng)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(dá)到 7000小時 。 1977 年 ， 貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到 10萬小時 (約 )， 外推壽命達(dá)到 100萬小時 ， 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 μm的銦鎵砷磷 (InGaAsP)激光器 ， 1979年美國電報電話 (ATT)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為 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)展的一個重要里程碑 。 1976 年 ， 美國在亞特蘭大 (Atlanta)進(jìn)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 Mb/s， 傳輸距離約 10 km。 1980 年 ， 美國標(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(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 。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線 ， 全長 3400 km， 初期傳輸速率為 400 Mb/s， 后來擴(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 6400 km；第一條橫跨太平洋 TPC3/HAW4 海底光纜