第1章 绪论二、光通信的发展烽火狼烟望远镜1880年，贝尔发明光话二十世纪六十年代，历史上两大突破（1）室温下连续工作的双异质结半导体激光器的出现（2）低损耗光纤的问世1、光源的发展过程1960年，第一台相干振动光源——红宝石激光器问世，引发光通信热潮。但固体和气体激光器体积大，效率低，不适合光通信使用。1962年，电流注入同质结GaAs半导体激光器研制成功。但阈值电流大（10A），液氮下工作。1967年，单异质结GaAs/GaAlAs半导体激光器出现，阈值电流（1A）1970年，双异质结GaAs/GaAlAs半导体激光器出现，阈值电流（100mA）70年代后期，可连续工作几十万小时。InGaAsP长波长激光器出现。2、光纤发展过程1966年，英籍华人高锟首次提出用有包层的玻璃纤维传输光波。当时最优质玻璃损耗1000dB/km。曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。1970年，美国康宁公司首先拉出20dB/km光纤。1879年，最先发明并制造出玻璃灯泡，使爱迪生的发明成为现实。
1947年，最先发明并大规模制造出电视显像管，使电视进入千家万户。
美国康宁公司1973~1974年，利用化学汽相沉积法和改进的化学汽相沉积法损耗进一步下降。目前常用的工作波长在1310nm和1550nm处。三个窗口的衰减分别为：850nm附近为2dB/km，1310nm附近为0.5dB/km，在1550nm附近为0.2dB/km。我们把1530~1565nm的波长范围称为C波段，这是目前高速大容量长距离系统常用的波段波长(nm)损耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850图1.3光纤损耗的波长特性三、光纤通信系统基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管LED（LightEmissionDiode）或者激光二极管LD（LaserDiode）构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。图1.3光纤通信系统链路的框图光纤通信的优势
1.信道带宽极宽，传输容量大
随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传输容量无疑是最高。
理论上一个光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目，而实用水平为每对光纤传输48万多路电话信号。在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术的应用，如密集波分复用技术，其传输容量可以满足任何条件下信息传输的需要。
2.中继距离长
中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。
为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。
光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离，在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多公里，而同轴电缆系统的最大中继距离仅为6公里。
3.抗电磁干扰
对通信系统形成干扰的干扰源很多，有天然干扰源，如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等；有工业干扰源，如电动机和高压电力线；还有无线通信的相互干扰等，干扰对通信系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的。
为了降低干扰的影响，人们采取了数字通信、差错控制编码等措施，但并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号特定的频率范围，使它不易受各种电磁干扰的影响。同时光纤是由高纯度的二氧化硅材料制成的，不导电，也无电感效应，所以光纤通信系统可以从根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。
4.保密性好
保密性好是通信系统又一重要要求。保密要求已从国家政治、军事、经济情报范畴扩展到企业经济、技术乃至个人通信领域。对信息的窃取通常有三个途径：一是直接接入式窃听；二是窃听计算机和终端设备辐射的电磁场；三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以采取保密口令，信息加密等技术；对于第二种窃听可以采取加强电磁屏蔽措施，但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的，现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤中传输，不易泄漏出来，难于用传统的方法窃听其中的信息，同时，它也不会干扰其它通讯设备的正常工作。
5.节约有色金属
光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量，从上海至北京铺设一条电缆线路需要用铜800吨，铅300吨。如果用光纤代替铜、铅等有色金属。在保持同样的传输容量下，仅需要10公斤石英。因此，光纤通信技术将节约大量的金属材料。
6.重量轻，安全，易敷设。它比相应的金属电缆体积小,重量轻,光缆的直径很小，144芯光缆横截面直径不到18毫米，而标准同轴电缆为47毫米，利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光纤的重量轻，它被应用于飞机制造上，不但降低了通信设备的成本和飞机制造的成本，而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。
由于光纤通信的诸多许多优点，除了在公用通信和专用通信中使用外，它还在其它许多领域，如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方面得到了广泛的应用。
缺点：
(1)接口昂贵。在实际使用中，需要昂贵的接口器件将光纤接到标准的电子设备上。
(2)强度差。光缆本身与同轴电缆相比抗拉强度要低得多。这可以通过使用标准的光纤包层PVC得到改善。
(3)不能传送电力。有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光缆显然不能胜任，在光缆系统中还必须额外使用金属电缆。
(4)需要专用的工具、设备以及培训。需要使用专用工具完成光纤的焊接以及维修；需要专用测试设备进行常规测量；光缆的维修既复杂又昂贵，从事光缆工作的技术人员需要通过相应的技术培训并掌握一定的专业技能。
(5)未经受长时间的检验。光纤通信系统的普及时间不太长，还没有足够的时间证实它的可靠性。光纤通信系统发展1.第一代光纤通信系统
1977年在芝加哥相距7公里的两个电信局之间进行了数字光纤通信系统传输试验，使用的速率为44.736Mb/s，采用的光纤工作波长为850nm，衰减为2.54dB/km，光源采用铝镓砷半导体激光器，光电探测器采用硅材料制作，它成为第一代光纤通信的标志。第一代光纤通信的特征是采用850nm的多模光纤，光纤损耗为2.5～3dB/km，传输速率为50～100Mb/s，中继距离为8～10公里。2.第二代光纤通信系统大约在1980年，进入了工作波长在1310nm、使用多模光纤传输的第二代光纤通信时代。该波段是石英光纤的第二个低损耗窗口，且有最低的色散，相应的光源长波长铟镓砷磷（InGaAsP）/铟磷（InP）半导体激光器，光电探测器采用锗材料，传输速率为140Mb/s，中继距离为20～50公里。3.第三代光纤通信系统
1983年实现了使用单模光纤在1310nm波长传输的第三代光纤通信。单模光纤损耗降至0.3～0.5dB/km，中继距离为50～100公里，这一代光纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中。日本，敷设了一条从北海道到冲绳岛纵贯南北的光缆干线，全长3400公里，采用24芯单模光纤光缆，传输速率为400Mb/s。美国也从东西海岸各敷设了一条光缆干线，长度分别为600公里和270公里，芯数为144芯。后来在1985年，又敷设了2002公里的南北干线，增设了总长为5万公里的光缆，把美国的22个州连接形成了长途光缆干线网。国际上第一条海底光缆于1986年在北海海底敷设，它连接了英格兰和比利时。美国到欧洲的跨大西洋海底光缆在1988年敷设，长度为5600公里，到欧洲后分成两个分支，一路经500多公里到英国，另一路经300多公里到法国，它的语音信道为80000路，为了补偿信号衰减，沿光缆每隔50公里安装了一个转发器。4.第四代光纤通信系统
80年代后期，进入了使用单模光纤在1550nm波段上传输的第四代光纤通信阶段。1550nm是石英光纤的最低损耗窗口，为0.2dB/km，传输速率达2.5Gb/s，中继距离为80～120公里。掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里程碑。尤其是在波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）光纤通信系统中的应用，充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量，使光纤使光纤通信进入了高速光纤通信阶段。5.第五代光纤通信系统自1995年以来，采用了密集波分复用DWDM对光纤系统传输容量进行扩容。截至2002年,商用DWDM系统容量已达160×10Gb/s(1.6Tb/s),实验室水平为256×42.7Gb/s(10.932Tb/s)。