光纤通信技术的发展史及其现状_毕业论文.docx

光纤通信技术的发展史及其现状【内容摘要】光纤通信符合了高速度、大容量、高保密等要求，但是，光纤通信能实际应用到人类传输信息中并不是<aname=baic1.usnap></a>帆X/B风顺的，其发展中经验了很多技术难关，解决了这些技术难题,光纤通信才能进一步发展。本文从光源及传输介质、光电子器件、光纤通信系统的发展来展示光纤通信技术的发展。【关键词】光纤通信技术光纤光缆光有源器件光无源器件光纤通信系统【正文】光H身固有的优点注定了它在人类历史上充当不行忽视的角色，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，光纤通信具有很多独特的优点。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，都须要一个发展的过程。光纤通信技术的形成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，人类已经起先运用光传递信息了，这样的例子有很多。打手势是一种目视形式的光通信，在黑喑中不能进行。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，直到目前仍旧运用的信号灯、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（BeI1.）独创了“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更而变更，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运用，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，通信极不稳定牢靠。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，光电话仍是一项宏大的独创，它的出现证明白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亳不过分。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口俱增，传统的通信方式已不能满意人们的须要。为了扩大通信容量，通信方式从中波、短波发展到微波、电米波，这事实上就是通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。接着提高频率，达到光波波段，光波是人们最熟识的电磁波，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找寻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”。光源1960年，美国的梅曼(max.book118an)独创了红宝石激光器，它可以产生单色相干光，使高速信息的光调制成为可能。和一般光相比，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样的良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线电波相像，是一种志向的光载波。但是，红宝石激光器发出的光束不简单耦合进光纤中传输，其耦合效率是极低的，因此须要研制小型化的激光光源。1970年，美国贝尔试验室、口本电气公司(YEC)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，研制胜利室温下连续工作的钱铝神（GaA1.As）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，完全满意好用化的要求。在这个期间，1976年口本电报电话公司研制胜利放射波长为1.3的锢钱神磷（InGaAsP）激光器,1979年美国电报电话（AT&T）公司和口本电报电话公司研制胜利放射波长为1.55的连续振荡半导体激光器。激光器的独创和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。传输介质大气19611970年，人们主要探讨利用大气传输光信号。美国麻省理工学院利用HC-W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峻的问题：通信实力和质量受气候影响非常严峻。由于雨、雾、等和大气灰尘的汲取和散射，光波能量衰减很大。例如，雨能造成30dBkm的衰减,浓雾衰减高达120dBkmo大气的密度和温度很不匀称，造成折射率的变更，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。大气传输设备要求设在高处，收、发设备必需立线可见。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（例如掺铉纪铝石榴石（Nd：YG）激光器）的独创大大提高了放射光功率，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运用，但是大气激光通信的稳定性和牢靠性仍旧没有解决。为了克服气候对激光通信的影响，人们H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。透镜波导是在金屈管内每隔肯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像，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此可行的，但在实际应用中遇到了不行克服的困难。首先，现场施工中校准和安装非常困难；其次，为了防止地面活动对波导的影响，必需把波导深埋或选择在人车稀有的地区运用。由于没有找到稳定牢靠和低损耗的传输介质，对光通信的探讨曾一度走入了低潮。光纤为了发展光通信技术，人们乂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1000dBkm以上，这么高的传输损耗根本就无法用于通信。1966年，美籍华人高银（max.book118）和霍克哈姆（max.book1.1.8ham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。1970年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁Coming公司研制胜利损耗20dBkm的石英光纤。因此，光纤通信起先可以和同轴电缆通信竞争，世界各国相继投入大量人力物力，把光纤通信的探讨开发推向一个新阶段。1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高，进而将梯度折射率多模光纤的衰减系数降至4dBkm<>1973年，美国贝尔试验室研制的光纤损耗降低到2.5dBkm=1974年降到了1.1.dBkm°1976年口本电报电话（NTT）公司等单位将光纤损耗降低到0.47dBkm（波长1.2）。在以后的10年中，1.55波特长的光纤损耗（如图2所示）：1979年是20dBkm,1984年是0.157dBkm,1986年是0.154dBkm,接近了光纤最低损耗的理论极限。1976年，在进一步设法降低玻璃中的（氢氧根）含量时，发觉光纤的衰减在长波max.book118低损耗窗口。1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个好用光纤通信系统的现场试验，系统采纳GaA1.As激光器作为光源，多模光纤作为传输介质，速率为44.736Mbit/s、传输距离约IOkm,这一试验使光纤通信向好用化迈出了第一步。1980年，原材料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，从而加快了光纤的传输max.book1.1.8.55的进程。特殊是制出了低衰减光纤，max.book118km,已接近理论值。与此同时，为促进光纤通信系统的好用化，人们又刚好地开发出适用于长波长的光源，即激光器、发光管和光检测器。应运而生的光纤成缆、光无源器件、性能测试及工程应用仪表等技术的口趋成熟，都为光纤光缆作为新的通信传输媒质奠定了良好的基础。1981年以后，世界各发达国家将光纤通信技术大规模地推入商用。历经20余年的突K猛进的发展，光纤通信速率已由1978年的45Mbit/s（例如美国MC1.于1991年开通了ChiCagO至St.1.oUiS全长275英里的4X10Gbits的商用光纤通信系统等）。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。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。图3展示了北美消费的光缆较多，占了全球近25乐其次为欧洲。全球光纤的消费额逐年增加，由此看出，光纤的市场需求量在增加,其应用越来越广。图4展示了单模、多模光纤的消费额总体在增加，结合图5、图6又可以知道单模光纤的市场份额有所下降，多模光纤的应用则变得较为广泛。光电子器件光有源器件光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、P1.N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意了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有ImW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行能的，但是必需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，而且它乂处于光接收机的最前端，假如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更和环境变更的影响。光放大器光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不行缺少的光一一随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里一泊罗型半导体激光放大器，接着起先了对行波式半导体激光放大器的探讨。另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉妙放大器。80年头后期，掺稀土元素的光纤放大器脱颍而出，并很快达到好用水平，应用于越洋的长途光通信系统中。目前能用于光纤通信的光放大器主要是半导体激光放大器和掺稀土金属光纤放大器，特殊是掺饵光纤放大器(EDFA)倍受青睐。1985年英国南安普顿高校首次研制成掺饵光纤，1989年以后掺饵光纤放大器的探讨工作不断取得重大突破。由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里，光纤系统的容量竟增加了一个数量级。而在1982年到1990年的8年时间里，光纤系统的容量才只增加了一个数量级。光放大器的作用和光纤传输容量的突飞猛进，为光纤通信呈现了无限广袤的发展前景。当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：max.book118。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。掺饵光纤放大器工作在1.55窗口,该窗口光纤损耗系数比1.31窗口低(仅0.2dBkm)已商用的EDFA噪声低,增益曲线好，放大器带宽大，与波分爱用(WDM)系统就容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。掺错光纤放大器工作在1.31m波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低喙声、高增益的PDFA,但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离好用还有一段距离。非线性的研制始于80年头，并在90年头初取得重大突破光纤拉曼放大器是利用光纤的小线性光学效应一一受激拉曼散射效应产生的增益机理而对光信号进行放大的。其优点是传输线路与放大线路同为光纤，因此，放大器与线路的耦合损耗小，噪声较低，增靛稳定性较好。但须要很大的泵浦功率（数百亳瓦）和很长的光纤（数公里）。另外，光纤拉熨放大器的特性对光纤的偏振状态非常敏感。因此，光纤拉曼放大器目前还不能用于光纤通信光无源器件光无源器件是光纤通信系统的重要组成部分，在光纤通信向大容量、高速率发展的今日，光无源器件显得尤为重要。今年来，新材料、新工艺和新产品在不断涌现，光无源器件正面临一个快速发展的时期。光纤活动连接瑞光纤（缆活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、光纤与有源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。在进一步提高光纤活动连接器性能的基础上，使其向小型化、集成化方向发展。进一步提高光纤活动连接器性能指标目前的插入损耗范围在0.1.dB0.5dB,平均值为0.3dB,相对过高且变更范围大。随着加工精度的提高，争取将平均值降到0.IdB以下，变更范围缩小至0.2dB左右。变更插针端面的几何形态是提高I川波损耗的有效手段。可以预期，端而为平而形态的插针将会渐渐被淘汰，球面和斜球面的插针会同时存在，而且球面插针的须要量仍将占主要地位。此外，采纳镀膜工艺等新的加工技术来提高回波损耗可以降低零件的加工精度要求，并可提高两接器的一样性和互换性。小型化随着光纤接入网的发展，目前运用的连接器已显示出体积过大、价格太贵的缺点，因此小型化是光纤活动连接器的发展方向。光纤活动连接器小型化的一种方法是缩小单芯光纤连接器尺寸，开发小型化（SFF）的连接器，如瑞士DiaInond公司的E-2000型连接器,美国朗讯公司的1.C型连接器以及日本NTT公司的MU型连接器等,它们的插针直径只有1.25mmo连接器小型化的另一种方法是开发适应带状光纤的多芯光纤连接器，即VT型系列光纤连接器。带状光缆具有可集成的优势，是今年来快速发展的一个光缆品种，它具有以下优点：体积小、重量轻、密集度高：采纳注塑成型，一样性好，适于大批量生产：具有较低的插入损耗：具有良好的稳定性。随着干线网、用户网和局域网的发展,带状光缆连接器将成为连接器发展的方向o集成化光纤活动器不仅仅只有连接功能，还具有其它功能，因此，集成化是其发展的一个重要方向。现在已经出现了一些集成化的多功能产品，如外形与各种变换器一样的固定衰减器；既可作为FC型转换器,乂可以对光的衰减量连续可调（025dB）的小型可变衰减器等。光纤活动连接器的集成化，不但增加了连接器的功能，而且更重要的是体高其它器件的密集度和牢靠性，给运用者带来极大便利。固定连接器固定连接器乂称固定接头或接线子，它能够把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性连接。固定接头的制作方法按其工作原理有熔接法、V形槽法、毛细管法、套管法等。光纤熔接机正朝着两个方向发展：一是向全自动、多功能方向发展；二是向小型化、简易化方向发展。目前普遍运用的全自动光纤熔接机设备笨重，价格昂贵。今后这一机型会朝着提高精度、降低成本、尤其是增加连接芯数的方向发展。同时，随着光纤应用领域的扩大及用户不同的须要，对光纤熔接技术的要求也渐渐趋于多样化。因此，研制小型和超小型熔接机就成为其次个发展方向。同时致力于多芯光纤熔接机和保偏光纤熔接机的探讨生产。对于其它几种固定连接器而言，插入损耗和回波损耗这两个指标上都落后于光纤熔接机所制作的固定接头。要想提高这儿种接头的加工精度，研制更适合的匹配液是一种比较有效的方法，目前很多厂家正致力于这方面的探讨。此外，V形槽和毛细管结构比光纤熔接机更简单实现带状光纤与光波导阵列、光有源器件阵列的固定连接，可以从改善机械结构、光学透镜和匹配液入手，使这种连接得以实现。最终，为协作带状光缆的应用，多芯化的固定连接器也应大力发展。光衰减器光衰减器是光通信中发展最早的无源器件之一，目前已形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。目前，光衰减器的市场越来越大。由于固定光衰减器具有价格低廉、性能稳定、运用简便等优点，所以市场需求比可变光衰减器大一些。而可变光衰减器由于其敏捷性，市场需求仍稳步增长。国外的光衰减器性能已达到高性能要求，目前国外的一些光学器件公司正在不断开发各种新型光衰减器，以求获得性能更高、体枳更小、价格更相宜的好用化产品。从市场需求的角度来看，光衰减器将向着小型化、系列化、低价格的方向发展。此外，由于一般型光衰减器已相当成熟，所以今后的探讨将侧重于其高性能方面。为了避开器件的光反射引起光源的频率漂移和线路噪声，使受此影响较大的系统能够正常工作，必需在相应的线路中运用高回损衰减器。因此，高回损衰减器是衰减器发展的一个重要方向。此外，光衰战器还必需有更宽的温度运用范围和频谱范围及多更能等优良性能。光波分熨用器光波分复用器(WDM)又称为光合波/分波器，它是对光波波进步行合成与分别的光无源器件，在解决光缆线路的扩容或熨用中起着关键作用。当前运用的光波分熨用器主要是两波长的熨用器，例如13101550nm主要用于通信线路，9801550nm和1480/155Onm主要用于光纤放大器。随着密集波分复用（DM）M）系统的发展，多波长复用器的需求量正在增加，复用波长之间的间隔也在渐渐缩小。当波长之间的间隔为20nm时，一般称为粗波分复用器；波长之间的间隔为1IOnm时,一般称为密集波分复用器。因此,密集化、小型化、好用化、组件化是波分复用器发展的必定趋势。无源光耦令器光耦合器的研制、开发及应用已经验了近四十年，目前基本形成了以熔融拉锥型器件为主、波导器件渐渐发展的局面。随着光纤通信、光纤传感技术、光纤CATV,局域网、光纤用户网以及用户接入网等的快速发展，对光耦合器的需求会进一步增大。当前，能进行大批量生产单模光纤耦合器的方法是熔融拉锥法。但是在这种方法中，I1.1.于光纤之间的耦合系数与波长有关，所以光传输波长发生变更时，耦合系数也会发生变更，即耦合比发生变更，一般它随波长的变更率为0.2%nm所以宽带化是耦合器的一个重要方向。与此同时，为了适应各种光纤网络用户数量剧增的须要，一方面须要大功率的光源，另一方面在不断增加耦合器路数的同时，进一步降低附加损耗、削减器件体积，并提高运用的牢靠性。综上所述，将来的光耦合器将是宽带的、集成化的、低损耗和易接入的器件，还应依据要实现多路数、小型化等。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WDV、Tap、GFF等滤波器混合的器件，这些器件都已研制胜利，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。从好用的角度来看，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、CATY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、低价格方向发展将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运用，各结点上的信号交换干脆在光域中完成，这就须要光开关。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。今年来出现了能维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。光纤通信系统光纤通信系统已经验了四代变更：第一代光纤通信系统是在19731976年研制胜利的45Mbit/s、O.85多模光纤系统。其光纤损耗在0.85处为4dBkm,在1.06处为2dBkm,1.D（1.aserDiode,激光二极管）寿命达到小时。此外组成系统的其他各个部分在性能上已基本满意要求。1978年投入运用的第一代光纤通信系统的速率范围在50100MbitYs,中继距离为IOkm0其次代光纤通信体统于1976-1982年研制胜利，它可以传送中等码速的数字信号。其工作波长为1.30,损耗为0.5dBkm,色散的或小值近似为零。目前正处在大规模好用化的是第三代光纤通信系统。其工作波长为1.31,运用1.D可传输140600Mbits的高码速信号，中继距离达3050km°第四代光纤通信系统目前还处在试验室研制阶段。其主要思想是将零色散波长移到1.55,这样可以使光纤损耗更低，色散为零。目前，人们已经涉足第五代光纤通信系统的探讨和开发，称之为光孤子通信系统。光孤子通信系统具有超长距离的传输实力，其应用潜力是巨大的。但是光孤子通信系统目前尚处于探讨开发阶段，要真正进入好用化还须要解决一系列实际应用问题。我国光纤通信的发展在国外光纤通信的探讨起步不久，我国从1974年就起先了光纤通信的基础探讨，并在几年之内就取得了阶段性的探讨成果。在此基础上，20世纪70年头末进行了光纤通信系统现场试验。80年头主要进行光纤通信系统的好用化攻关，完成了武汉市话中维好用化工程，武汉-荆州多模光缆34Mbit/s省内干线工程以及合肥-芜湖140Mbits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年头初期，我国起先了光纤通信系统的大量建设，光缆渐渐取代电缆，并完成了“八纵八横”国家干线。这些干线主要是采纳Pf）H1.40Mbit/s系统。随着市场需求量的增加以及技术水平的不断提高，渐渐采纳了SDH622Mbits和2.561）江/5系统。郑州-洛阳-开封的16X2.5Gbit/s和上海-南京的32X10Gbits的波分熨用数字光纤通信系统的探讨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、3.5dBkm,多模、8Mbits.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、1.2dBkm,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131Onm窗口，1995年后才开通155Onm窗口。传输速率九十年头末期才起先从622Mbs提升到2.5Gbs.这两年新建线路用到IOGbs,波分复用最高达32,总传输容量达320Gbs（32×10Gbs）o1999年起先较多运用G先55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探讨并有了成果，武汉邮科院和长飞公司研制的小零色散位移光纤已经好用。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、主动锁模光纤环形激光器、被动锁模光纤环形激光器、光纤光栅激光器、增益'F坦EDFA、高增益低噪声EDFA、掺饵光纤均衡放大器、DFB-U)与E型外调制器的集成器件等方面都有显著进展。10-1