军事通信讲稿-201109062124-屈宁威.doc

光纤通信技术的发展史及其现状光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。光纤通信是将要传送的图像、数据等信号调制到光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。作为载波的光波频率比电波频率高得多，作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。一、 光纤通信技术的形成(一)、 早期的光通信光无处不在，这句话毫不夸张。在人类发展的早期，人类已经开始使用光传递信息了，这样的例子有很多。打手势是一种目视形式的光通信，在黑暗中不能进行。白天太阳充当这个传输系统的光源，太阳辐射携带发送者的信息传送给接收者，手的动作调制光波，人的眼睛充当检测器。另外，3000多年前就有的烽火台，直到目前仍然使用的信号灯、旗语等都可以看作是原始形式的光通信。望远镜的出现则又极大地延长了这类目视形式的光通信的距离。这类光通信方式有一个显著的缺点，就是它们能够传输的容量极其有限。近代历史上，早在1880年，美国的贝尔（Bell）发明了“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流传送到受话器。光电话并未能在人类生活中得到实际的使用，这主要是因为当时没有合适的光源和传输介质。其所利用的自然光为非相干光，方向性不好，不易调制和传输；而以空气作为传输介质，损耗会很大，无法实现远距离传输，又易受天气影响，通信极不稳定可靠。如此看来，这种光电话并没有太大的实际应用价值，然而，我们不得不说，光电话仍是一项伟大的发明，它的出现证明了用光波作为载波传输信息是可行的，因此，把贝尔光电话称为现代光通信的雏形毫不过分。(二)、 现代光纤通信技术的形成随着社会的发展，信息传输与交换量与日俱增，传统的通信方式已不能满足人们的需要。为了扩大通信容量，通信方式从中波、短波发展到微波、毫米波，这实际上就是通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。继续提高频率，达到光波波段，光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，而频率则为Hz数量级，这比常用的微波频率高倍。如此看来，用光波作为载波进行通信，通信容量将大大超过传统通信方式。要发展光通信，最重要的问题就是要寻找适用于光通信的光源和传输介质。1970年，光纤和激光器这两个科研成果同时问世，拉开了光纤通信的帷幕，所以我们把1970年称为光纤通信的“元年”。1、 光源1960年，美国的梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，它可以产生单色相干光，使高速信息的光调制成为可能。和普通光相比，激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相似，是一种理想的光载波。但是，红宝石激光器发出的光束不容易耦合进光纤中传输，其耦合效率是极低的，因此需要研制小型化的激光光源。1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（200 ）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功室温下连续工作的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长）。虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973年，半导体激光器寿命达到10万小时（约11.4年），外推寿命达到100万小时，完全满足实用化的要求。在这个期间，1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 的铟镓砷磷（InGaAsP）激光器，1979年美国电报电话（AT&T）公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55的连续振荡半导体激光器。激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。2、 传输介质1) 大气19611970年，人们主要研究利用大气传输光信号。美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和激光器进行了大气激光通信试验。试验证明用承载信息的光波通过大气的传播实现点对点的通信是可行的，但是大气传输光通信存在很多严重的问题：（1） 通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30dB/km的衰减，浓雾衰减高达120dB/km。（2） 大气的密度和温度很不均匀，造成折射率的变化，加上大气湍流的影响，光束位置可能会发生偏移和抖动。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制，不能实现“全天候”通信。（3） 大气传输设备要求设在高处，收、发设备必须直线可见。这种地理条件使得大气传输通信的适用范围具有很大的局限性。虽然，固体激光器（例如掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器）的发明大大提高了发射光功率，延长了传输距离，使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定场合使用，但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传输。因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波导和透射镜波导相似，是用与光束传输方向成角的两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导从理论上讲是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。2) 光纤为了发展光通信技术，人们又考虑和尝试了各种传输介质，其中包括利用玻璃材料制成光导纤维来传输光信号，但是当时最好的光学玻璃材料的损耗在1000dB/km以上，这么高的传输损耗根本就无法用于通信。二、 光纤通信技术现状及其发展从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分。(一)、 光纤光缆光纤本身所固有的优点及其技术的进步使其成为当今社会信息传输的主要媒介。(二)、 光电子器件光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。因此，光电检测器的噪声要求很小。另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。光隔离器隔离器是一种光单向传输的非互易器件，它对正向传输光具有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大的衰减作用。目前，光隔离器已经产生了一系列的器件，如阵列光隔离器、小型化光隔离器，还有一些隔离器与WDM、Tap、GFF等滤波器混合的器件，这些器件都已研制成功，并批量生产。到目前为止，自由空间型、偏振相关型隔离器应用较多，主要用于有源器件的封装。从实用的角度来看，光隔离器发展的主要方向是高性能偏振无关在线型光隔离器、高性能偏振灵敏微型光隔离器以及多功能光隔离器。随着光纤放大器、CATV网、光信息处理、Gbit/s级高速光纤通信及相干光通信等技术的进一步推广，光隔离器也正向着高性能、微型化、集成化、多功能能、低价格方向发展未来的光隔离器很可能是一种微型化高性价比的集成器件。光开关随着密集波分复用系统和全光通信网的使用，各结点上的信号交换直接在光域中完成，这就需要光开关。由于这些结点上进行交换的光纤和波长数量很多，所以这种光开关应当是大端口数的矩阵开关。因此，光开关的矩阵化和小型化是光开关发展的一个重要趋势。今年来出现了能继承大规模矩阵阵列而又有良好性能的两种新型光开关，即微机械光开关（MEMS）和热光开关。三、 我国光纤通信的发展在国外光纤通信的研究起步不久，我国从1974年就开始了光纤通信的基础研究，并在几年之内就取得了阶段性的研究成果。在此基础上，20世纪70年代末进行了光纤通信系统现场试验。80年代主要进行光纤通信系统的实用化攻关，完成了武汉市话中继实用化工程，武汉-荆州多模光缆34Mbit/s省内干线工程以及合肥-芜湖140Mbit/s单模光缆一级干线工程等，为大规模推广应用打下了基础。90年代初期，我国开始了光纤通信系统的大量建设，光缆逐渐取代电缆，并完成了“八纵八横”国家干线。这些干线主要是采用PDH140Mbit/s系统。随着市场需求量的增加以及技术水平的不断提高，逐渐采用了SDH622Mbit/s和2.5Gbit/s系统。郑州-洛阳-开封的162.5Gbit/s和上海-南京的3210Gbit/s的波分复用数字光纤通信系统的研究开发与投入商用等工作正在加速进行之中。此外，国产的光器件产品在国际市场也具有较强的竞争力。由此可见，我国已具有大力发展光纤通信的综合实力。1982年建武汉市话中继光缆（0.85窗口、3.5dB/km，多模、8Mbit/s、13.5km），1988年建第一条国产设备长途直埋光缆兰州至武威工程（1.30窗口、1.2dB/km，多模、140Mb/s、286km），1989年起大量用单模光纤建线路。至2000年底，光缆总长度达125万公里（其中长途干线光缆28.6万公里，中国电信23万公里、中国联通5.6万公里），通达250多个地市，总用光纤约3000万公里。上述线路基本上是G.652单模光纤（只有京九光缆放了六根G.653光纤），且1995年前只开通1310nm窗口，1995年后才开通1550nm窗口。传输速率九十年代末期才开始从622Mb/s提升到2.5Gb/s。这两年新建线路用到10Gb/s，波分复用最高达32，总传输容量达320Gb/s（3210Gb/s）。1999年开始较多使用G.655光纤。在光纤研制方面，我国对国际上现有的光纤类型都在跟踪研究并有了成果，武汉邮科院和长飞公司研制的非零色散位移光纤已经实用。其他如色散补偿光纤、偏振保持光纤、掺饵光纤、数据光纤、塑料光纤等均能达到生产阶段。光有源器件的研制在掺饵光纤激光器、主动锁模光纤