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PAGE9光纤通信

光纤通信是七十年代发展起来的一门新兴技术。光纤是光导纤维的简称。它是由玻璃材料（SiO2抽丝而成的一种光传输媒体。以光波传送资讯，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。利用光进行资讯传递的历史至少可以追溯到我国古代的烽火台，至今已有七百多年的历史。随后出现的海军旗语、信号弹，乃至现在在大城市仍然使用的红绿灯都是利用光进行通信的。从近代科技的发展史来看，光通信的一个重大发明是1880年贝尔继发明电话之后又发明了“光话”。以日光为光源，大气为传输介质，在200米的距离内实现了语音信号的传递。但是这种初期的光通信所能传送的资讯是十分有限的。一方面由于普通光源或日光成分复杂，振动方向杂乱而无法调变；另一方面利用大气为介质进行光通信损耗大，受气候影响严重，不能全天候进行，易受地理条件的限制。因此，贝尔的“光话”由于高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性，仍未能解决而一直未能实用。1960年，正当人们开始认识到资讯对未来社会重要性的时候，美国的Maimen发明了红宝石雷射二极体。由此，人们得到了良好的同调光，使光通信得到了新生。这更加激发了人们对低损耗导光介质的研究热潮。当然，利用玻璃中的全反射原理传光，早已为人们所熟知，并且已在医学领域中得到应用（短距离传光光纤束）。但到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达1000dB/m。这意味着，如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1μm的光子（其能量hν=2×10-19J），则在其入端要输入的光的能量为2×1081J。这将远超过太阳系自形成以来的，全部辐射能量的总和。在希望渺茫的局面下，1966年英籍华人高锟（）博士和Hocham发表了一篇具有划时代意义的论文，他们提出，如果利用带有包屑材料的石英玻璃光学纤维（光纤）来进行光通信，其损耗可能低于20dB/m。他们还指出，这类玻璃的理论最低损耗值比这一数值还要低得多。1970年美国的康宁公司果然制造出损耗为20dB/m的光导纤维（所使用光源的波长约为μm）。在此之后，光纤通信技术的进展发生了急剧的变化，光导纤维已成为光纤通信系统中最优越的传光纤路。1972年康宁公司又生产出7dB/m的低损耗光纤，1973年，贝尔实验室又将此项指标降为m，后来国际上又有m的光纤报导，1979年日本茨城通信研究所又研制出接近理论极限值的m的光纤。1970年初的另一重要事件是实现了半导体雷射二极体的室温运转。在此同时，发明了镓-砷发光二极体。至此，光通信技术中的两大难题——高强度光源的可靠度和低损耗介质的稳定性都得到了解决，使光纤通信技术受到了空前的重视。短短二十余年的发展时间，已从实验室走向实用，并带来了巨大的社会经济效益。目前，横跨大西洋海底和太平洋海域的光纤通信已正式使用，它可以提供40000路电话的通信，传输的数据率每秒可达亿元。西方的一些发达国家已相继建成了多条遍及国内的光纤通信系统。美国、日本等亦正在着手建立全国光纤通信资讯网络。光纤通信的优点本世纪30年代，有人提出这样的观点：“总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。该观点反映出光纤通信技术在未来通信已显示出其重要性。（1）通信容量大理论上两根光纤可传送上百万个电话和上百个电视节目。目前已成功地完成了30000路电话的系统（同轴电缆的通信容量最高只能传送108000个电话），极适合于数位信号的传输。如果像电缆那样把十几根或上百根光纤组成光缆（即空间多工），再使用分波多工技术，其通信容量就会大得惊人。（2）中纤距离长光纤的突出优点之一就是损耗小。目前，光纤的最低损耗已达m，甚至更低。若光传送15公里，光强度还有原来的一半。有人比喻说，如果有一根针沉入10公里深的海底，假如海水的透明度与光纤相同，那么人在海面上可以把针看得非常清楚。相信，在不久的将来，损耗可能会有更新的突破。光纤的损耗如此之小，使通信无中继传输距离大大增加。目前，单模光纤的最大中继距离可达上百公里，比同轴电缆大几十倍。（3）不受电磁干扰光纤是由非金属的石英介质材料构成。因此，光纤通信，不受电磁干扰，传送资讯保密性强。（4）资源丰富光纤的主要构成材料是二氧化硅玻璃，其资源十分丰富。相对于用以制作电缆的铜、铅等材料，可以说是取之不尽、用之不竭。（5）光缆重量轻、体积小相同话路的光缆要比电缆轻90%~95%（光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一），而直径不到电缆的五分之一。故运输和架设都比较方便。当然光纤通信除上述优点之外，光纤本身也有一些缺点。如光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。但这些问题都会随着科技的发展而变得容易解决。光纤通信的类型光纤通信系统可以依系统所采用的传输信号形式、传输光的波长、光纤类型和光接收与发送方式进行分类。无论哪一类光纤通信系统，基本上都是由光发送机、光传输线和光接收机三部分组成。上述的光纤系统，加上适当的介面设备，就可作为一个单独的“光元件”插入现有的数位和类比通信、有线和无线通信系统中。（1）依传输信号分类依光纤中传输的光信号，可分为类比光纤通信系统和数位光纤通信系统两大类。①数位光纤通信系统数位光纤通信系统是目前光纤通信的主要形式。电信号是采用脉冲编码调变（）和长波长（μm、μm；采用的光纤有单模光纤和多模光纤。光纤通信依所采用的光源波长和光纤种类可分成以下四种类型：①短波长多模光纤通信系统这种系统采用发光峰值波长为μm的雷射二极体（LD）或发光二极体（LED）作为光源，多模光纤作为光的传输通道，其通信容量一般在480路以下（速率在34Mbit/s以下），中继距离约10m。②长波长多模光纤通信系统这种系统的光源（LD或LED）的峰值波长为μm，中继距离在20m以内，传输速率一般为34Mbit/s。③长波长μm单模光纤通信系统这种通信系统的光源是峰值波长为μm的单纵模雷射二极体，采用单模光纤作传输通道，其传输速率一般为140~565Mbit/s，中继距离可达30~50m。④长波长（μm）单模光纤通信系统这种光纤通信系统是性能更为优越的光纤通信。它对单模光纤的波散及单纵模雷射二极体的要求比较高，目前正处于研制阶段。（3）其他类型的光纤通信系统1）同调光通信系统光纤通信进入电信网路、光纤产业的形成，使光纤通信的光明前景变成了现实的应用。然而，直到现在，光纤通信仍基本上是处于代替电信电缆的地位，光纤通信仍处于发展的初级阶段。光纤通信的优点有许多还没有得到发挥。同调光通信是采用调谐性良好的光载波，利用电信号调变，再经光纤送入光接收机。接收机接收到的光信号与接收机内部振荡所产生的光载波在满足相位匹配和振幅匹配的条件下进行混频，输出与光信号和接收机产生之光信号强度之和的平方成正比的中频信号电流。该信号的大小与光载波信号的振幅、频率、相位和偏振有关。所以，这种接收机可以解调强度、相位、频率和偏振调变的光波。只要通过外差检测把光载波信号转移到中频区域后，就能够利用普通的电技术进一步处理电信号。同调光通信的优点是：①提高了光接收机的灵敏度10~25dB。如果光纤的衰减为m，灵敏度可提高20dB，这相当于中继距离增加100m。②使通信速率可达Gbit/s的数量级。③可进行高密度分波多工（