第1章 绪论
第一章
1.1 光通信发展史
绪论
1.2 国内外光纤通信技术发展概况
1.3 光纤通信系统的基本构成
第1章 绪论
1.1 光通信发展史
1.1.1 现代通信的发展
人类社会出现后，人与人之间就需要信息交流。原始社会 人们可以靠声音（语言）、肢体动作（肢体语言）或面部表情 等交流信息，这就是原始的通信，是人们面对面的交流。 在人类学会使用工具以后，人们开始借助于工具进行较远 距离的信息交流，如烽火、灯光（蜡烛）以及以后的旗语等。 图1是一种利用绳子定向传输声音振动的例子。与此类似，在 过去的大型船舶上用两端带喇叭的铜管定向传导声音。
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2.半导体激光器性能பைடு நூலகம்突破
1960年发明的第一个激光器是红宝石(固体)激光器，不久 （1961年）半导体激光器研制成功，但当时需要在低温(液氮) 下脉冲工作。后来采用异质结技术使激光器可在常温下连续 工作，但开始只有数小时甚至数分钟的寿命，由于寿命极短 不能实用化。经过一段时间的努力，才研制成功可实用的半 导体激光器。现在的半导体激光器的性能有了极大的提高， 其寿命可达106小时，甚至达108小时，功率可达10 毫瓦量级 (泵浦激光器可达几百毫瓦),可调谐范围几百GHz,线宽低到 1―10MHz(外腔激光器能达几十kHz)，适用于各种光通信系统， 为光纤通信实用化打下了基础。激光器价格也在不断下降， 干线通信系统所用激光器已降到千美元量级；几十美元，甚 至几美元的半导体激光器可用于接入网系统。
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有了这两个技术突破，70年代中期就出现了第一代光纤通 信系统。世界上第一套商用光纤通信系统于1975年敷设于 美国亚特兰大，其工作波长为0.85µm，比特率为45Mbit/s。 经过三十多年的努力，光纤通信系统已经经历数代的发展， 如表1.1所示。
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表 1.1.光纤通信系统的发展
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1.光纤传输衰减的降低 60年代最好的光纤传输衰减为1000dB/km，即传输1km， 光功率降到原来的1/10100≈0，因而这种光纤不可能用作通 信媒质。当时没有人相信光纤可以用于通信，也没有人从 事光纤用于通信的研究。英藉华人学者高锟博士的贡献在 于理论上证明这样大的传输衰减是由于光纤中杂质吸收和 散射引起的。如将光纤提纯，则传输衰减可以降到可在通 信中实用的程度（最初提出的指标是 20dB/km） [1]. 这一贡 献具有深远意义，完全改变了通信容量不适应社会发展的 需求，推动了信息社会更快地到来。由于这一贡献，高锟 博士获得了2009年诺贝尔物理学奖。
第1章 绪论 光波所占频带非常宽，相当于当前的应用，带宽资源几 乎是无限的。因此人们势必要开发光波波段的带宽资源。光 纤的发明解决了光通信的传输媒质问题。不像铜制圆波导管 那样，光纤具有许多非常优秀的性能，是非常理想的传输媒 质；同时，半导体激光器的发明也解决了光源问题，可以制 作出价格适中甚至廉价的光发射机。因此通信的载波频率由 微波跳过了毫米波和亚毫米波波段，直接进入到光波波段。 图1.1示出了无线电波段的分布情况，可以看出光通信使用的 光波波段也只是无线电波波段的一个很小部分，但是这一部 分的带宽资源已经足够大，大概在数十年的时间内，这一资 源也不会枯竭。
波长（µm） 0.85 1.3 1.55 1.55 1.55 1.55
系统类型 IM/DD IM/DD IM/DD 相干 孤子 WDM
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图1.1 电磁波谱及电通信和光通信所用频带在其中位置
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1.1.2 光通信的发展
原始形式的光通信 : 中国古代用“烽火台”报警，手电筒， 海港信号灯通信与此类似 。 上世纪 60 年代初激光器被发明，人们开始了利用激光器作 光源进行光通信的研究，这是现代光通信与原始光通信的分界 线。 60 年代 ―70 年代初，人们还没有制造出可以实用的光纤， 当时主要研究大气光通信。光源主要使用CO2气体激光器（但由 于空气不是理想的光传输媒质，空气中的水汽(雾)、雨雪和沙尘 的影响，使光信号被散射、吸收，以致传输距离很短，在恶劣 气候的条件下，光信号仅能传播百米量级，甚至更短。
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图1. 利用绳子定向传输声音振动
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电的使用开创了人类社会的一个新纪元，引起了一场新的 工业革命，也迎来了现代通信的时代以电报和电话为标志的电 通信时代。最近三十多年来光通信异军突起，迅速发展，并大 大改变了通信业的面貌，也成为电信的主要成员。光纤通信网 已经成为现代通信网骨干，并正在向用户/家庭扩展，即光纤到 户（Fiber to the Home）。 现代通信发展的主要标志是通信容量的增加，与通信容量的 增加相对应则是载波频率的增加。电通信的载波由长波─中波─ 短波─超短波，最终发展到微波（米波─厘米波─毫米波）。
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为了增加通信容量，必须增加可用带宽，因此带宽成为 资源。在微波波段带宽资源是有限的。在光通信发展以前， 人们试图开发毫米波和亚毫米波作为通信的载波，以增加带 宽资源。例如有人提出用铜制圆波导作为传输线（传输媒质） 传输毫米波和亚毫米波；用半导体器件制作发射机和接收机。 这一方案在技术上是可行的。但是这一波段的波导管制作要 求非常高，而且要在野外铺设数千千米，工程施工非常困难。 同时毫米波和亚毫米波半导体器件价格也很高。因此，要实 现这一要求，经济上非常不合算。更何况在世界上铜的储量 有限，属于稀缺的资源。因而毫米波和亚毫米波通信没有得 到很大的发展（毫米波通信在无线和空间通信中有部分应 用）。
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1970年美国康宁公司首次制成了传输衰减为20dB/km的光纤， 每传输1km,光功率降到原来的1/100，可以用作光通信的传输 媒质。此后，光纤传输衰减逐年下降，到79年已降到 0.2dB/km，后来又降到0.16dB/km,几乎达到纯石英光纤损耗的 理论极限。与此对照，同轴电缆传输线的传输衰减大约在30100dB/km。 这一突破的意义在于说明光纤可以作为光通信的传输媒质， 从而为光纤通信打开大门。这也是称高锟博士为光纤通信之 父的原因。