1.1 光纖通信的發(fā)展史

1.光通信的雛形

光通信的歷史可以追溯到古代的烽火通信，以及現(xiàn)在還在使用的交通信號和水上交通用的“旗語”等，在這些通信方式中，光信號本身即是信息，包含的信息非常少，不能稱為嚴(yán)格意義上的光通信。

2.光通信的早期

18世紀(jì)60年代，英國發(fā)明第一架光電報機(jī)，利用日光作為光源，利用反光板的不同組合，通過空氣作為傳輸介質(zhì)，傳遞相應(yīng)的信息。

19世紀(jì)80年代，美國的貝爾發(fā)明了光學(xué)電話，他以日光作為光源，采用話筒的薄膜隨著聲音的振動而振動來實現(xiàn)聲光調(diào)制。做法是將日光發(fā)出的恒定光束投射到受聲音控制的薄膜上，這樣從薄膜上反射回來的光束強(qiáng)弱變化就攜帶了聲音信息，然后，將這束被調(diào)制的光信號經(jīng)大氣傳送到接收端。接收端采用一個大型拋物面反射鏡和一個硅光電池組成光電檢測器，將接收到的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)換成光電流，再把光電流送到聽筒發(fā)聲，從而完成了光電話通信。

從此之后，直到 1960年以前，光通信的發(fā)展幾乎停滯不前，主要原因是碰到光源、光傳輸介質(zhì)和光電檢測器等技術(shù)障礙。光源：主要采用日光作為光源，而日光為非相干光，它的方向性不好，不易調(diào)制和傳輸。傳輸介質(zhì)：以空氣作為傳輸介質(zhì)，損耗很大，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，而且通信也極不穩(wěn)定可靠。光電檢測器：硅光電池作為光電檢測器，內(nèi)部噪聲很大，通信質(zhì)量很差。

3.光纖通信發(fā)展的里程碑

盡管光通信有很多技術(shù)障礙，然而人們從來沒停止過對它的研究。隨著社會的不斷進(jìn)步，通信向大容量、長距離方向發(fā)展是必然的趨勢。無論是有線通信還是無線通信，都是將低頻信息調(diào)制轉(zhuǎn)移到高頻載波上去。載波頻率越高，其所在頻段頻帶越寬，通信容量就越大。

1966年7月，英籍華裔學(xué)者高錕博士和霍克哈姆在Proc.IEE雜志上發(fā)表了一篇十分著名的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》，該文從理論上分析證明了用光纖作為傳輸介質(zhì)以實現(xiàn)光通信的可能性，設(shè)計了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（即階躍光纖），更重要的是科學(xué)地預(yù)言了制造通信用低損耗光纖的可能性，即通過加強(qiáng)原材料提純、加入適當(dāng)?shù)膿诫s劑，可把光纖的衰減系數(shù)降低到20dB/km以下。而當(dāng)時世界上只能制造用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)方面的光纖，其衰減系數(shù)在1000dB/km以上。在當(dāng)時，對于制造衰減系數(shù)在20dB/km以下的光纖，被認(rèn)為是可望而不可及的。以后的事實發(fā)展雄辯地證明了高錕博士論文的理論性和大膽預(yù)言的正確性，因而該論文被譽(yù)為光纖通信的里程碑。

4.光纖通信發(fā)展的實質(zhì)性突破

光源：1960年，美國梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，它發(fā)出的是一種譜線很窄、方向性很好、頻率和相位一致的相干光，易于調(diào)制和傳輸；其缺點是耦合率極低，無法在室溫下運行，壽命很短，但是它的發(fā)明解決了光源方面的障礙，加速了光通信的研究和發(fā)展。

傳輸介質(zhì)：1970年，美國康寧公司根據(jù)高錕論文的設(shè)想，用改進(jìn)型化學(xué)汽相沉積法（MCVD 法）制造出當(dāng)時世界上第一根超低損耗光纖，成為光纖通信爆炸性發(fā)展的導(dǎo)火線。雖然當(dāng)時康寧公司制造出的光纖只有幾米長，衰減系數(shù)約20dB/km，但它畢竟證明了用當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)與工藝方法制造通信用超低損耗光纖的可能性，也就是說找到了實現(xiàn)低衰耗傳輸光波的理想媒體，這是光纖通信的重大實質(zhì)性突破。

5.光纖通信爆炸性的發(fā)展

自 1970年以后，世界各發(fā)達(dá)國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，其來勢之猛、規(guī)模之大、速度之快遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的意料，從而使光纖通信技術(shù)取得了驚人的進(jìn)展。

（1）光器件

1970年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一個在室溫下連續(xù)工作、工作波長為0.85μm的雙異質(zhì)結(jié)注入式砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器，由于它體積小，易于與光纖耦合，為光纖通信找到了合適的光源器件；與此同時砷化鎵鋁發(fā)光二極管也制造成功，發(fā)光二極管壽命長，但是速率較低，功率小，譜線寬，屬于非相干光源。為了配合光纖的長波長窗口，研制成功了銦鎵砷磷半導(dǎo)體材料的長波長激光器和發(fā)光二極管。

隨著技術(shù)的發(fā)展，性能更好、壽命達(dá)幾萬小時的異質(zhì)結(jié)條形激光器和現(xiàn)在壽命達(dá)幾十萬小時的分布反饋式激光器（DFB-LD）以及多量子阱（MQW）激光器也相繼研制成功。

光接收器件從硅光電二極管發(fā)展到量子效率達(dá)90%以上的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光電二極管。

（2）傳輸介質(zhì)

自1970年以后，光纖損耗逐年降低。1970年，20dB/km；1972年，4dB/km；1974年，1.1dB/km；1976年，0.5dB/km；1979年，0.2dB/km；1990年，0.14dB/km，已經(jīng)接近石英光纖的理論損耗極限值0.1dB/km。

（3）光纖通信系統(tǒng)

正是光纖制造技術(shù)和光電器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，帶動了光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長距離、從舊體制（PDH）到新體制（SDH）的迅猛發(fā)展。1976年，美國在亞特蘭大開通了世界上第一個實用化光纖通信系統(tǒng)，碼速率僅為45Mbit/s，中繼距離為10km。1985年，140Mbit/s 多模光纖通信系統(tǒng)商用化，并著手單模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗工作。1990年，565Mbit/s 單模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)入商用化階段，同時著手進(jìn)行零色散位移光纖、波分復(fù)用及相干光通信的現(xiàn)場試驗，而且已經(jīng)陸續(xù)制定了同步數(shù)字體系（SDH）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1993年，622Mbit/s的SDH 產(chǎn)品進(jìn)入商用化。1995年，2.5Gbit/s 的SDH 產(chǎn)品進(jìn)入商用化。1998年，10Gbit/s 的SDH 產(chǎn)品進(jìn)入商用化。同年，以2.5Gbit/s 為基群、總?cè)萘繛?0Gbit/s 和 40Gbit/s 的密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)進(jìn)入商用化。2000年，以10Gbit/s為基群、總?cè)萘繛?20Gbit/s 的DWDM 系統(tǒng)進(jìn)入商用化。此外，在智能光網(wǎng)絡(luò)（ION）、光分插復(fù)用器（OADM）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等方面也正在取得巨大進(jìn)展。

總之，從1970年到現(xiàn)在，雖然只有短短40多年的時間，但光纖通信技術(shù)卻取得了極其驚人的進(jìn)展。然而，就目前的光纖通信而言，其實際應(yīng)用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_發(fā)利用。因此，光纖通信技術(shù)將向更高水平、更高階段發(fā)展。