第3章　光纖通信技術(shù)

3.1　概述

1880年，貝爾發(fā)明了第一個光電話，其原理是：將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強(qiáng)弱變化的反射光束。這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。

光纖出現(xiàn)在1966年，英籍華人高錕（K.C.Kao）博士，當(dāng)時工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所，他發(fā)現(xiàn)了光在石英玻璃纖維中傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p耗的原因，當(dāng)時世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減高達(dá)1000dB/km。1970年，美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/km的光纖，使光纖通信的實用化成為可能，自此掀起了世界范圍內(nèi)的光纖通信研究熱潮。1980年，光纖衰減降低到0.2dB/km，接近理論值。

光纖通信是一種利用光導(dǎo)纖維為介質(zhì)傳輸載有信息的光波進(jìn)行通信的系統(tǒng)。它的發(fā)展是以1960年美國人Maiman發(fā)明的紅寶石激光器和1966年英籍華人高錕提出利用SiO₂石英玻璃可制成低損耗光纖的設(shè)想為基礎(chǔ)的。光纖通信的發(fā)展，和與之相關(guān)的關(guān)鍵元器件的發(fā)展是緊密相連的，除作為傳輸介質(zhì)的光纖之外，光源和光電探測器也是光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件。光纖通信系統(tǒng)中使用的光源經(jīng)歷了從發(fā)光二極管到半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步。

在20世紀(jì)60年代，半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，PN結(jié)光電二極管、Si-PIN光電二極管以及Si-APD（硅雪崩光電二極管）的制作工藝水平已相當(dāng)成熟，完全可以用作光纖通信系統(tǒng)中的光電探測器。然而作為光纖通信系統(tǒng)光源的半導(dǎo)體激光器，是除光纖以外阻礙光纖通信發(fā)展的另一個大障礙。直到20世紀(jì)70年代末，研制出了工作壽命在百萬小時以上、室溫下能連續(xù)運轉(zhuǎn)工作的半導(dǎo)體激光器，光纖通信才完全走上實用化、商業(yè)化的軌道。目前，半導(dǎo)體激光器不僅可以在室溫下工作，而且其直接調(diào)制速率可以達(dá)到10Gbit/s乃至更高，逐漸滿足了高效率、高速率、低噪聲、大功率、長壽命等要求。光纖與光源的逐年進(jìn)步解決了衰減和色散問題，其結(jié)果是增加了光纖系統(tǒng)的通信容量。光探測器也達(dá)到了GHz的響應(yīng)靈敏度。

半導(dǎo)體激光器具有調(diào)制速度高、譜線窄、強(qiáng)度高的特點，因此特別適合于在長距離光纖通信系統(tǒng)中使用。然而對于中、短距離的光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體發(fā)光二極管則是一種很好的選擇，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的最大優(yōu)點是壽命長、價格低、線性好。在光纖通信系統(tǒng)中究竟使用哪種光源，要根據(jù)系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)來考慮，以獲得最佳的性能/價格比。

20世紀(jì)90年代初，光放大器的問世引起了光纖通信技術(shù)的重大變革，這在光通信史上具有里程碑的意義。光放大器節(jié)省了光電變換的中繼過程，而且實現(xiàn)了波長透明、速率透明和調(diào)制方式透明的光信號放大，從而誕生了采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的新一代光纖系統(tǒng)商用化。

光纖通信最初的工作波段是在0.85μm附近，后來發(fā)現(xiàn)在1.3μm附近，光纖的損耗和色散都很低，特別是在1.32μm附近，是光纖的零色散點；而在1.55μm附近，是光纖的最低損耗點。因此，光纖通信自然而然地向1.3～1.55μm的長波長方向發(fā)展。同時，這也促進(jìn)和推動光源和光電探測器向該波段的長波長方向發(fā)展。

另外，各種光纖放大器的研制成功，以及光纖損耗的不斷降低，使光中繼距離不斷延長，更進(jìn)一步促進(jìn)了光纖通信的快速發(fā)展。

目前普遍使用的光纖通信系統(tǒng)，是如圖3-1所示的數(shù)字編碼、強(qiáng)度調(diào)制的直接檢波通信系統(tǒng)。所謂強(qiáng)度調(diào)制，是指在發(fā)射端用信號直接去調(diào)制光源的光強(qiáng)，使之隨信號電流呈線性變化；直接檢波是指信號直接在接收機(jī)上檢測為電信號。圖3-1光纖通信系統(tǒng)示意方框圖中電端機(jī)完成電信號的收、發(fā)和相應(yīng)的處理。光發(fā)送端機(jī)將電信號變換成光信號，它通常采用半導(dǎo)體激光器（LD）或半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作為光源；光接收端機(jī)的功能是將光信號變換成電信號，它通常采用的光探測器是各類光電二極管；光纜完成發(fā)送端光信號至光接收端機(jī)的傳輸。

由于光載波的頻率可達(dá)10⁵～10⁶GHz，約為微波載頻的10000倍，所以光通信的容量非常大，具有非常誘人的發(fā)展前景。