导论课论文

通信用光纤研究进展

２１世纪将是信息时代。信息时代将会大大地推动科学技术、经济贸易的全球化高速发展。科学技术、工业、农业和国防现代化，国际经济贸易中的人与人之间交流必然带来了全球性的海量信息交换。光纤通信以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等优点，已成为支撑全世界海量信息交换的最重要的技术支柱之一。

众所周知，光通信的发展历史十分悠久，从古代的长城烽火台的狼烟来报警异族入侵到今天指挥城市繁忙交通的车辆和拥挤的行人有序通过的红绿灯都采用的是大气光通信。然而大气光通信受气候条件、地形地貌、建筑物阻挡和传输距离短等限制，让位于光纤通信。光纤通信作为２０世纪重要技术发明之一，已在国内外广泛应用了２０多年。光纤通信正是以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等优点替代了核心网、城域网的电缆通信，正在向着接入网的用户终端推进。

现在，各大运营商，都推出了“光纤到户”的新业务，就是普通的居民也都听说过光纤。通信光缆是由若干根（芯）光纤（一般从几芯到几千芯）构成的缆心和外护层所组成。光纤与传统的对称铜回路及同轴铜回路相比较，其传输容量大得多；衰耗少；传输距离长；体积小；重量轻；无电磁干扰；成本低，是当前最有前景的通信传输媒体。它正广泛地用于电信、电力、广播等各部门的信号传输上，将逐步成为未来通信网络的主体。下面介绍通信光缆的相关知识。

通信光缆Communication Optical Fiber Cable。通信光缆是由若干根（芯）光纤（一般从几芯到几千芯）构成的缆心和外护层所组成。光纤与传统的对称铜回路及同轴铜回路相比较，其传输容量大得多；衰耗少；传输距离长；体积小；重量轻；无电磁干扰；成本低，是当前最有前景的通信传输媒体。它正广泛地用于电信、电力、广播等各部门的信号传输上，将逐步成为未来通信网络的主体。光缆在结构上与电缆主要的区别是光缆必须有加强构件去承受外界的机械负荷，以保护光纤免受各种外机械力的影响。

光纤的理论是由英国籍华人高锟博士在1966年提出来的。可见华人也是非常有智慧和创新能力的。高锟指出：在改进制作工艺后人们有可能做出适合通信用的低损耗光纤。这个预言在1970年由美国康宁玻璃公司制造的低损耗石英光纤所证实。该公司的光纤损耗指标是20 dB/km。

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

1966年英籍华人高锟(Charles Kao)发表论文提出用石英制作玻璃丝(光纤)，其损耗可达20dB/km，可实现大容量的光纤通信。当时，世界上只有少数人相信，如英国的标准电信实验室(STL)、美国的Corning玻璃公司，Bell实验室等领导。2009年高锟因发明光纤获得诺贝尔奖。1970年，Corning公司研制出损失低达20dB/km，长约30 m的石英光纤，据说花费了3000千万美元。1976年Bell实验室在华盛顿亚特兰大建立了一条实验线路，传输速率仅45Mb/s，只能传输数百路电话，而用中同轴电缆可传输1800路电话。因为当时尚无通信用

的激光器，而是用发光二极管(LED)做光纤通信的光源，所以速率很低。1984年左右，通信用的半导体激光器研制成功，光纤通信的速率达到144Mb/s，可传输1920路电话。1992年一根光纤传输速率达到2.5Gb/s，相当3万余路电话。1996年，各种波长的激光器研制成功，可实现多波长多通道的光纤通信，即所谓“波分复用”(WDM)技术，也就是在1根光纤内，传输多个不同波长的光信号。于是光纤通信的传输容量倍增。在2000年，利用WDM技术，一根光纤光纤传输速率达到640Gb/s。有人对高锟1976年发明了光纤，而2010年才获得诺贝尔奖有很大的疑问。事实上，从以上光纤发展史可以看出，尽管光纤的容量很大，没有高速度的激光器和微电子仍不能发挥光纤超大容量的作用。电子器件的速率才达到吉比特/秒量级，各种波长的高速激光器的出现使光纤传输达到太比特/秒量级(1Tb/s=1000 Gb/s)，人们才认识到“光纤的发明引发了通信技术的一场革命!”

随着密集波分复用(DWDM)技术、掺饵光纤放大器(EDFA)技术和光时分复用(OTDM)技术的

逐渐成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。采用OTDM和DWDM相结合的试验系统，容量可达3 Tb/s或更高;时分复用(TDM)的10 Gb/s系统及其与波分复用(WDM)相结合的32×10 Gb/s,160×10 Gb/s系统已经商用化。在如此高速率的DWDM系统中，开发敷设新一代光纤已成为构筑下一代电信网的重要基础。新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效面积、低偏振模色散，以克服传统光纤带来的色散限制和非线性效应问题。

近年来国际上新兴的以经营IP业务为主的电信公司正掀起新一轮大规模建设光纤网的高潮，如美国仅全国性的新建长途网就达6个，计划新敷设的光纤路由约20万公里。其动因主要是数据业务，特别是IP业务的爆炸式增长以及市场开放和竞争的加剧，造成核心网络的容量再次紧缺。为满足不断增长的带宽需求，DWDM已成为必然选择，以充分利用光纤的巨大带宽资源，大幅度提高系统的传输容量。我国正在逐步打破通信网络的垄断，大量新兴光纤网络公司(如网通、铁通等)不断涌现，全国正值大规模光缆敷设的前夕。

今天，在回顾光纤的发展历程的时候，人们都会十分清晰地认识到，光纤通信中传输容量的扩大、传输速度的提高和传输距离的延长都与光纤的衰减、色散、非线性效应等紧密相关。光纤品种的推陈出新过程就是人们对光纤衰减、色散、非线性效应等性能在光纤通信系统中所扮演的重要作用的认识过程。

今天，在回顾光纤的发展历程的时候，人们都会十分清晰地认识到，光纤通信中传输容量的扩大、传输速度的提高和传输距离的延长都与光纤的衰减、色散、非线性效应等紧密相关。光纤品种的推陈出新过程就是人们对光纤衰减、色散、非线性效应等性能在光纤通信系统中所扮演的重要作用的认识过程。

1976年，美国贝尔实验室在亚特兰大至华盛顿之间建立了世界上第一个实用化光纤通信系统，其传输速度为45 Mbit/s，采用的是多模光纤。多模光纤自发明至今，始终是以想方设法减小衰减和模间色散、进一步提高光纤的传输带宽为研究中心。最近几年，多模光纤的研究有了突变性进展，光纤的传输带宽得到了大幅度的提高。

20世纪70年代末，人们试图用研制成功的长寿命半导体激光器来代替发光管光源，以获取更长的通信距离和更大的通信容量。可是，激光在多模光纤中传输时会发生模式噪声。为克服模式噪声，1980年成功地研制出零色散点在1.31μm的单模光纤(非色散位移单模光纤)。ITU-T建议将这种单模光纤定义为G.652光纤。因为单模光纤的设计思想是只传输一个模式，所以不发生多模光纤中传输时所发生的模式噪声。因此，20世纪80年代中期，由激光器光源和G.652光纤组成的140 Mbit/s光纤通信系统的中继距离和传输容量远远超过同轴电缆，从而使光纤通信逐渐取代铜缆成为电信业采用的主要通信方式。

在20世纪80年代末，人们发现G.652光纤的最小衰减点位于工作波长1.55 μm处，该点的衰减仅为0.22 dB/km左右，但是该点的色散系数则太大为18 ps/nm .km。这个色散系数值