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光纤通信技术的演进

时间:2021-11-04 百科知识 版权反馈
【摘要】:激光器和光纤的诞生刺激了近代光通信的真正发展。与此同时,光导纤维的研究正在扎实进行。从此光通信技术得到了飞速的发展,通信容量也得到了惊人增长。但是LD价格昂贵,所以适合光纤通信的发光二极管便应运而生,也促进了光通信的实用化和大发展。从20世纪80年代起,光纤通信进入了高速发展时期。

为了生存和发展,人们会在日常生活中把需要的信息从一个地方传送到另一个地方,这种信息的传递就是通信。通信必须依靠通信系统来完成。一个通信系统包括了三个主要组成部分:发送、传输和接收。光纤通信也不例外,需要传送的信息在发送端输入发送机,将信息调制到载波上,然后将已调制的载波通过传输媒介传送到接收端,由接收机解调出原来的信息。通常,射频波、微波、毫米波等都作为信息的载波,金属导线、电缆等作为传输媒介。但以光波为载波,光纤作为传输媒介的光纤通信迅速发展,已成为现代通信产业的支柱,是通信历史上重要的革命

我国古代就开始利用光进行通信了,比如烽火台、手旗、灯光以及后来的交通红绿灯等,但可惜它们所能传递的距离和信息量都是十分有限的。

1880年Bell发明的光电话是近代光通信的雏形,他用阳光作为光源、硒晶体作为光接收检测器件,通过200m的大气空间成功地传送了语音信号。但是这样的光电话需要合适的光源以及比较严格的大气环境,所以在如今的社会环境中,这种大气通信光电话未能像其他电通信方式那样得到发展。

激光器和光纤的诞生刺激了近代光通信的真正发展。1960年Maiman发明了红宝石激光器,激光器产生的强相干光可以作为可靠的光源服务于现代光通信。这种单波长的激光具有普通无线电波一样的特性,可对其调制而携带信息。利用激光的早期光通信也只能作为短距离通信使用,这是因为其传输媒介为大气。人们很快发现,许多因素如雾、雨、云,甚至一队偶然飞过的鸟,都会干扰光波的传播。显然,需要一种像射频或微波通信的电缆或波导那样的光波通信传输线,以克服这些影响,实现信息的长距离稳定传输。

1965年,E.Miller报导了由金属空心管内一系列透镜构成的透镜光波导,可避免大气传输的缺点,但其结构太复杂且精度要求太高而不能实用。与此同时,光导纤维的研究正在扎实进行。早在1951年就发明了医疗用玻璃纤维,但这种早期的光导纤维损耗太大(大于1 000dB/km),也不能作为光通信的传输媒质。1966年,C.K.Kao和G.A.Hockman在其论文中分析了造成光纤传输损耗高的主要原因,然后指出,如能完全除去玻璃中的杂质,损耗就可降到20dB/km——相当于同轴电缆的水平,那么,光纤就可用来进行光通信。在这种预想的鼓舞下,Corning公司终于在1970年制出了20dB/km损耗的光纤,从而为光纤通信的发展铺平了道路。之后,光纤损耗随着新的制造方法的出现以及工艺水平的不断提高而降低。到了1979年,单模光纤在1 550nm波长上的损耗已经降到0.2dB/km,接近石英光纤的理论损耗极限。从此光通信技术得到了飞速的发展,通信容量也得到了惊人增长。(www.guayunfan.com)

在光纤损耗不断降低的同时,光源的发展也十分迅速。1962年,GaAs半导体激光二极管(LD)问世意味着现代光通信有了小体积的高速光源。GaAs-LD的发射波长为870nm,在掺杂铝后移到了光纤的短波长低损耗窗口(850nm),又实现了在室温下长时间工作。但是LD价格昂贵,所以适合光纤通信的发光二极管(LED)便应运而生,也促进了光通信的实用化和大发展。

在光接收机的研究方面,APD、PIN等高效率高速率半导体光电转换器件也陆续问世。1973年,在对PCM数字接收机分析的论文中,解决了现代光通信系统中光接收机的设计问题。数字接收机的灵敏度很高,所以就损耗而言的传输距离得到了一定的增加。

另外,为了满足系统应用的需求,各种无源光器件(如光衰减器、光波分复用器、隔离器等)以及专用的仪器设备(如光纤熔接机、光功率计等)也陆续配套商用。

从20世纪80年代起,光纤通信进入了高速发展时期。从短波长(850nm)到长波长(1 300nm、1 550nm),从多模光纤到单模光纤,从低速率到高速率。至今,商用光纤通信系统的发展已经历4代,即850nm波长的多模光纤(第一代系统,1980年)、1 300nm波长的单模光纤(第二代系统,1983年)、1 550nm波长的单模光纤单频激光器(第三代系统,1991年)以及光放大器(第四代系统,1995年)。现在,传输速率为2.5Gbit/s的系统已经实用化并大量应用,形成了遍布全国、全世界的陆地与海底光纤网。