光纖通信講座(2)：光纖通信發(fā)展概述

光纖通信發(fā)展概述1早期的光通信光纖通信主要部件的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展國內(nèi)外光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2早期的光通信原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。到了1880年，貝爾發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”，這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。3早期的光通信－貝爾“光電話”將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調(diào)制。貝爾光電話和烽火報警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響。4早期的光通信1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個嶄新的階段。激光器的發(fā)明是現(xiàn)代光通信的標(biāo)志。在這個時期，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗。5在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點轉(zhuǎn)入到地面光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地面通信的實驗。早期的光通信6由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對光通信的研究曾一度走入了低潮。早期的光通信7早期的光通信光纖通信主要部件的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展國內(nèi)外光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢8光纖的發(fā)明1966年，英籍華裔學(xué)者高錕博士(K.C.Kao，當(dāng)時工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。9高錕博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題。發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)。其次是拉制光纖時工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻。他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。光纖的發(fā)明10高錕榮獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)鹿饫w的發(fā)明111970年代，光纖研制取得了重大突破1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。121973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。1970年代，光纖研制取得了重大突破131970年代，光纖通信用光源也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。141973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時。1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。1970年代，光纖通信用光源也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展151977年，貝爾實驗室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時。1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。80年代中期，研制成功動態(tài)單縱模激光器，如分布反饋激光器(DFB)。1970年代，光纖通信用光源也取得了實質(zhì)性的進(jìn)展16由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年代成為光纖通信發(fā)展的一個重要時期。17早期的光通信光纖通信主要部件的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展國內(nèi)外光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢18光纖通信系統(tǒng)的組成19光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送機、光纖光纜、中繼器和光接收機等組成。光纖通信系統(tǒng)的組成20光發(fā)送機光發(fā)送機的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將生成的光信號注入光纖。光發(fā)送機一般由驅(qū)動電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，如果是直接強度調(diào)制可以省去調(diào)制器。21光接收機光接收機的作用是將光纖送來的光信號還原成原始的電信號。它一般由光電檢測器和解調(diào)器組成，對于直接強度調(diào)制，解調(diào)器可以省略。22中繼器中繼器分為電中繼器和光中繼器(光放大器)兩種，其主要作用就是延長光信號的傳輸距離，電中繼器可對數(shù)字信號進(jìn)行整形、再生。1987年，英國南安普敦大學(xué)研制成功摻鉺光纖放大器（EDFA），開啟了光纖放大器應(yīng)用的新紀(jì)元，實現(xiàn)了實用化的光－光中繼，是延長光纖通信傳輸距離和增加傳輸容量的一個突破性進(jìn)展。23實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個商用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。碼率為44.736Mbit/s，距離為10km。1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。241976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展25隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展261996年，單波長系統(tǒng)的速率已達(dá)10G/S(OC-192)以上，繼續(xù)提高速率很困難。光孤子通信，孤子是一種不彌散的脈沖，是光纖非線性效應(yīng)與色度色散相抵消的產(chǎn)物。采用光放大器，10Gb/s的孤子信號實驗傳輸距離達(dá)到12200km。相干光通信。80年代研究很多，但技術(shù)難度很高，無法實用。實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展27波分復(fù)用（WDM）技術(shù)80年代，已出現(xiàn)兩波長(1310nm/1550nm)的WDM系統(tǒng)，但90年代中期以前發(fā)展緩慢。原因：TDM技術(shù)發(fā)展迅速，155Mb/s~622Mb/s~2.5Gb/s。波分復(fù)用器件和光放大器未成熟。28密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)的發(fā)展美籍華人厲鼎毅博士為首的AT＆T貝爾實驗室光通信研究小組在90年代初提出密集波分復(fù)用的概念，采用增加傳輸波長的方法提高單根光纖的傳輸容量。DWDM技術(shù)對光纖通信具有劃時代的意義。厲鼎毅博士被稱為DWDM之父。29密集波分復(fù)用系統(tǒng)的基本原理利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。30波段劃分O-band:1260to1360E-band:1360to1460S-band:1460to1530C-band:1530to1565L-band:1565to16251200OESCL17001300140015001600nm31密集波分復(fù)用系統(tǒng)試驗323334352015TransmissionCapacity(bps)(CurrentWorldRecord)光纖傳輸能力的發(fā)展19751985199520051M10M100M1G10G100G1T10T100T1P128Ch10Ch3Ch273ChWDMR&DYear1000Ch14Tb/s（2bits/Hz）TDM

2Chx6.3M2Chx150M16Chx2.5GF-1.6GF-400MF-100MF-32MF-2.5G32Chx10GF-10G176Chx10G4Chx2.5GBusinessWDM25.6Tb/s（3.2bits/Hz）SingleModeFiberDFBLaserOptical

AmplifierAWGTDMWDMPSKMulti-LevelCoherentOFDM35第一波,1996-2001年

密集波分復(fù)用技術(shù)大發(fā)展。傳輸距離雖不長，一條光纖中的復(fù)用波長卻越來越多，以2001年日本NEC公司的10.92Tbps系統(tǒng)，復(fù)用273個波長,波長間隔0.4ns,每波長40Gb/s，使用S,C,L三個波段為高峰。第二波，2002年-2005年

超長距離光纖技術(shù)大發(fā)展。在波長不多的系統(tǒng)中試驗各種延長中繼段和系統(tǒng)總長度的技術(shù)。以美國Tyco公司的11,000~13,100km太平洋海底光纜系統(tǒng)為代表。使用摻鉺光纖放大器（EDFA）、喇曼放大器（RFA）及其結(jié)合，利用光DPSK和光QPSK來提高帶寬效率。

干線光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)展的幾波潮流36第三波，2006年-現(xiàn)在

頻帶高效的光調(diào)制解調(diào)技術(shù)大發(fā)展。包括DQPSK（差分四相鍵控、RZ-DQPSK（歸零差分四相鍵控）、CZRZ-DQPSK（載波抑制歸零差分四相鍵控）、RZ-8PSK（歸零八相鍵控）、RZ-8QAM(歸零八電平正交振幅鍵控),最后發(fā)展到OFDM-8QAM、OFDM-16QAM、OFDM-64QAM（正交頻分子載波上的8QAM、16QAM、64QAM）。

總之射頻數(shù)字調(diào)制解調(diào)體制中的所有高效格式都已經(jīng)或正在光波調(diào)制解調(diào)中應(yīng)用。再加上偏振復(fù)用和相干檢測技術(shù)。

干線光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)展的幾波潮流37這說明,光纖通信正在步入高級階段。過去,人們認(rèn)為光纖帶寬“無限”，只須采用最簡單的IM-DD(強度調(diào)制—直接檢測)即可建立容量大、可靠性高的通信系統(tǒng)，無需電子通信領(lǐng)域的復(fù)雜技術(shù)。隨著信息社會的發(fā)展，連單模光纖的帶寬也須節(jié)省利用了。于是要把電子通信領(lǐng)域的復(fù)雜技術(shù)移植到光波領(lǐng)域。

干線光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)展的幾波潮流38我國光纜建設(shè)歷程從九十年代初開始到1995年底共敷設(shè)長途光纜約11萬公里,基本建成PDH網(wǎng)到1998年底共敷設(shè)長途光纜約17萬公里,基本建成“八縱八橫”采用SDH技術(shù)的省際干線網(wǎng)1998年開始采用DWDM技術(shù)擴(kuò)容39“八五”期間干線光纜建設(shè)簡況建設(shè)省際光纜干線22條，約3.8萬公里采用PDH技術(shù)傳輸速率:140Mbit/s、565Mbit/s設(shè)備供應(yīng)廠家：武漢院、韓國三星、日本FUJITSU、澳大利亞NEC、美國LUCENT、PKI、意大利ITALTEL按每條干線設(shè)置網(wǎng)管設(shè)備40“八五”期間干線光纜建設(shè)簡況系統(tǒng)工作波長1310nmG.652光纖中繼距離60~70公里光纜芯數(shù)12~24除拉薩外,各個省會均有干線光纜聯(lián)通,樹形網(wǎng),沒有保護(hù)41“九五”期間干線光纜建設(shè)簡況建設(shè)省際光纜干線28條，約4萬公里采用SDH和DWDM技術(shù)傳輸速率:622Mbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s設(shè)備供應(yīng)廠家：SDH：FUJITSU、NEC、LUCENT、SIEMENS、GPT、ALCATEL、NORTEL、ERICSSON、ECI、武漢院DWDM：LUCENT、NEC、ALCATEL42“九五”期間干線光纜建設(shè)簡況按省設(shè)置網(wǎng)管設(shè)備系統(tǒng)工作波長1550nmG.652光纖及G.653光纖中繼距離70~80公里光纜芯數(shù)36~48所有省會均有干線光纜聯(lián)通除拉薩外,各個省會均有兩個以上干線光纜出口格形網(wǎng)，缺乏必要的保護(hù)措施43

“九五”期間干線光纜建設(shè)簡況

八縱

牡丹江—上海—廣州；齊齊哈爾—北京—三亞；呼和浩特—太原—北海；哈爾濱—天津—上海；北京—九江—廣州；呼和浩特—西安—昆明；蘭州—西寧—拉薩；蘭州—貴陽—南寧44

“九五”期間干線光纜建設(shè)簡況

八橫天津—呼和浩特—蘭州；青島—石家莊—銀川；上?！暇靼玻贿B云港—烏魯木齊—伊寧；上?！錆h—重慶；杭州—長沙—成都；廣州—南寧—昆明；上海—廣州—昆明45DWDM干線建設(shè)情況使用DWDM技術(shù)的干線:京—漢—廣；京—津—滬；京—太—西；滬—福—穗；漢—寧—滬；成—渝；濟(jì)—青；廣—汕頭采用82.5Gbit/s全長約13000公里，居世界第二設(shè)備供應(yīng)廠家：LUCENT、NEC、NORTEL、ALCATEL、武漢院和大唐46第一個長距離海底DWDM系統(tǒng)從德國－新加坡的SEA-ME-WE-3系統(tǒng)，8個STM-16(OC48,2.5Gb/s)波長，1998年。47部分中國參建的海底光纜系統(tǒng)1．中日光纜（C-J）

連接中國上海南匯和日本宮崎，全長1260公里，傳輸速率565Mbps，共有兩對光纖，于1993年12月開通。2．中韓光纜（C-K）

連接中國山東青島和韓國，全長549公里，傳輸速率565Mbps，兩對光纖，于1996年2月開通。3．環(huán)球光纜（FLAG）

連接亞洲、中東和歐洲，全長3.9萬公里，共有12個登陸站，為分支形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，中國登陸站在上海南匯，傳輸速率5Gbps，共有兩對光纖，于1997年9月開通。

484．亞歐光纜（SEA-ME-WE3） 連接亞洲、中東和歐洲，全長3.9萬公里，連接33個國家和地區(qū)，共有39個登陸站，為分支形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是迄今為止世界上最長的海底光纜系統(tǒng)。中國登陸站在上海崇明和廣東汕頭，傳輸容量2.5Gbps×8個波長（可擴(kuò)容至16個波長），兩對光纖，于1999年12月開通。5．中美光纜（CHINA-USCN） 連接亞洲和北美洲，全長約3萬公里，共有9個登陸站，中國登陸站在上海祟明和廣東汕頭，其他登陸方還有日本、韓國、美國和中國臺灣，系統(tǒng)傳輸速率2.5Gbps×8個波長，四對光纖，采用具有自愈功能的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。北線于1999年開通，南線于2001年開通。部分中國參建的海底光纜系統(tǒng)496．亞太光纜2號（APCN2）

連接亞洲國家和地區(qū)，全長約1.9萬公里，共有10個登陸站，中國登陸站在上海崇明和廣東汕頭，其他登陸方還有日本、韓國、香港、馬來西亞、新加坡、菲律賓和中國臺灣，系統(tǒng)傳輸速率2.5Gbps×8個波長，共有四對光纖，采用具有自愈功能的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，于2001年第四季度開通了初期的80Gbps容量，今后可繼續(xù)擴(kuò)容至2.56Tbps的終期容量。中國的三大國際電路運營商中國電信、中國網(wǎng)通和中國聯(lián)通均參與了此條海纜的建設(shè)。部分中國參建的海底光纜系統(tǒng)507．C2C國際海纜

這是由新加坡電信為主要控股公司的C2C公司發(fā)起的一條連接亞太主要國家的大容量海纜系統(tǒng)。設(shè)計容量為10Gbps×96×8FP共計7.68T，連接日本、韓國、中國大陸臺灣以及東南亞。中國網(wǎng)通作為C2C公司的中國大陸登陸提供方，建設(shè)了上海蘆潮港登陸站，從而成為繼中國電信后內(nèi)地第二家擁有國際海纜登陸站的電信運營商。

部分中國參建的海底光纜系統(tǒng)518、TPE中美海纜（Trans-PacificExpress）由中國電信、中國網(wǎng)通、中國聯(lián)通、中華電信、韓國電信(KT)和美國Verizon共同出資5億美元，2008年奧運會前建成。單波長容量10G/s，總?cè)萘?.12Tb/s。中國大陸的登陸點為上海崇明和青島。設(shè)計時考慮了地震的影響。

據(jù)CNNIC統(tǒng)計，2009年7月，中國國際互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬達(dá)到747G部分中國參建的海底光纜系統(tǒng)52起步于1970年代，與國際水平在器件上有較大差距，在傳輸系統(tǒng)上有一定差距。70年代末，可制造多模光纖、LED、LD和PIN管。在上海和武漢建立8Mb/s和34Mb/s數(shù)字光纖通信實驗系統(tǒng)。80年黃宏嘉院士在上?？拼螅ㄉ虾４髮W(xué)）制成中國第一根單模光纖。中國光纖通信的發(fā)展53中國光纖通信技術(shù)的發(fā)展86年，上海、武漢等地研制成140Mb/s數(shù)字單模實驗系統(tǒng)。80年代末實用化。92年，中國第一個基于HFC方式的CATV系統(tǒng)在嘉定開通。目前，光纖光纜產(chǎn)能居世界前列；光通信系統(tǒng)水平處于世界先進(jìn)，40Gb/s的DWDM系統(tǒng)已商用；通用的光有源器件、光無源器件等形成產(chǎn)業(yè)；光纖通信新技術(shù)的應(yīng)用與世界同步。54五代光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展第一代光纖傳輸系統(tǒng) 工作波長為850nm，采用多模光纖。這種系統(tǒng)幾乎已經(jīng)被淘汰，因為光纖損耗大，現(xiàn)在只有一些光纖計算機局域網(wǎng)還使用。第二代光纖傳輸系統(tǒng) 工作波長為1310nm，采用多模光纖。因為多模光纖帶寬窄，有模式噪聲，故除了光纖計算機局域網(wǎng)還用這種系統(tǒng)外，現(xiàn)在電話、電視傳輸網(wǎng)都不采用這種系統(tǒng)。

55第三代光纖傳輸系統(tǒng)

工作波長為1310nm，采用常規(guī)單模光纖（ITU-TG.652，零色散波長在1310nm）。這種系統(tǒng)適用于中等距離的數(shù)字、模擬信號的傳輸。對數(shù)字電話應(yīng)用，一般采用FP激光器，在140Mbit/s傳輸速率的典型中繼距離為50km。對模擬電視應(yīng)用，主要采用DFB激光器，最大無中繼傳輸距離不超過40km（發(fā)送光功率為＋12dBm時）。五代光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展56第四代光纖傳輸