第3章　光纖通信技術

3.1　概述

1880年，貝爾發明了第一個光電話，其原理是：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。這一大膽的嘗試，可以說是現代光通信的開端。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，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。

光纖出現在1966年，英籍華人高錕（K.C.Kao）博士，當時工作于英國標準電信研究所，他發現了光在石英玻璃纖維中傳輸產生嚴重損耗的原因，當時世界上最優秀的光學玻璃衰減高達1000dB/km。1970年，美國康寧（Corning）公司首先研制成衰減為20dB/km的光纖，使光纖通信的實用化成為可能，自此掀起了世界范圍內的光纖通信研究熱潮。1980年，光纖衰減降低到0.2dB/km，接近理論值。

光纖通信是一種利用光導纖維為介質傳輸載有信息的光波進行通信的系統。它的發展是以1960年美國人Maiman發明的紅寶石激光器和1966年英籍華人高錕提出利用SiO₂石英玻璃可制成低損耗光纖的設想為基礎的。光纖通信的發展，和與之相關的關鍵元器件的發展是緊密相連的，除作為傳輸介質的光纖之外，光源和光電探測器也是光纖通信系統中的關鍵元器件。光纖通信系統中使用的光源經歷了從發光二極管到半導體激光器的進步。

在20世紀60年代，半導體材料和工藝技術得到了迅速的發展，PN結光電二極管、Si-PIN光電二極管以及Si-APD（硅雪崩光電二極管）的制作工藝水平已相當成熟，完全可以用作光纖通信系統中的光電探測器。然而作為光纖通信系統光源的半導體激光器，是除光纖以外阻礙光纖通信發展的另一個大障礙。直到20世紀70年代末，研制出了工作壽命在百萬小時以上、室溫下能連續運轉工作的半導體激光器，光纖通信才完全走上實用化、商業化的軌道。目前，半導體激光器不僅可以在室溫下工作，而且其直接調制速率可以達到10Gbit/s乃至更高，逐漸滿足了高效率、高速率、低噪聲、大功率、長壽命等要求。光纖與光源的逐年進步解決了衰減和色散問題，其結果是增加了光纖系統的通信容量。光探測器也達到了GHz的響應靈敏度。

半導體激光器具有調制速度高、譜線窄、強度高的特點，因此特別適合于在長距離光纖通信系統中使用。然而對于中、短距離的光纖通信系統，半導體發光二極管則是一種很好的選擇，半導體發光二極管的最大優點是壽命長、價格低、線性好。在光纖通信系統中究竟使用哪種光源，要根據系統的綜合技術指標來考慮，以獲得最佳的性能/價格比。

20世紀90年代初，光放大器的問世引起了光纖通信技術的重大變革，這在光通信史上具有里程碑的意義。光放大器節省了光電變換的中繼過程，而且實現了波長透明、速率透明和調制方式透明的光信號放大，從而誕生了采用波分復用（WDM）技術的新一代光纖系統商用化。

光纖通信最初的工作波段是在0.85μm附近，后來發現在1.3μm附近，光纖的損耗和色散都很低，特別是在1.32μm附近，是光纖的零色散點；而在1.55μm附近，是光纖的最低損耗點。因此，光纖通信自然而然地向1.3～1.55μm的長波長方向發展。同時，這也促進和推動光源和光電探測器向該波段的長波長方向發展。

另外，各種光纖放大器的研制成功，以及光纖損耗的不斷降低，使光中繼距離不斷延長，更進一步促進了光纖通信的快速發展。

目前普遍使用的光纖通信系統，是如圖3-1所示的數字編碼、強度調制的直接檢波通信系統。所謂強度調制，是指在發射端用信號直接去調制光源的光強，使之隨信號電流呈線性變化；直接檢波是指信號直接在接收機上檢測為電信號。圖3-1光纖通信系統示意方框圖中電端機完成電信號的收、發和相應的處理。光發送端機將電信號變換成光信號，它通常采用半導體激光器（LD）或半導體發光二極管（LED）作為光源；光接收端機的功能是將光信號變換成電信號，它通常采用的光探測器是各類光電二極管；光纜完成發送端光信號至光接收端機的傳輸。

由于光載波的頻率可達10⁵～10⁶GHz，約為微波載頻的10000倍，所以光通信的容量非常大，具有非常誘人的發展前景。