1.1 點到點光纖通信系統

通信的本質是將原始信號（包括圖像、文字和語音等）通過傳播介質（包括大氣、水和電磁波等）準確地從一處傳到另一處。在古代，人們采用烽火、信件等方式傳遞信息。隨著電磁波理論的發展，人們發現可以以電磁波為載體進行信號的遠距離傳輸，同時發現隨著載波頻率的提高，通信系統的傳輸能力（傳輸速率×傳輸距離）也隨之提高。因此，現代通信系統不斷嘗試將信號調制到更高頻率的載波上進行傳輸。自1835年莫爾斯發明莫爾斯碼和電報機以來，隨著通信技術的不斷發展，電通信系統使用的載波頻率不斷提高。直到1970年，電通信系統的傳輸能力到達瓶頸，大概為100 Mbit·s?1·km?1。

在電通信系統發展的過程中，人們一直試圖使用更高頻率的光波（約為100 THz）作為載波。理論上采用光波作為載波，有望將傳輸能力提高幾個數量級，但一直無法找到合適的相干光源和傳輸介質。1960年激光器的發明解決了相干光源的問題。1966年提出光纖可以作為傳輸介質。但當時光纖具有1000 dB/km的損耗，且激光器體積較大，使得光纖通信系統依然無法實用。1970年，光纖損耗降低到20 dB/km，同時可在室溫下連續工作的小型GaAs半導體激光器的出現，使得點到點光纖通信系統得以實用化。

為了提供更高的傳輸能力，即提供更高的傳輸速率和更遠的中繼距離，從1970年開始，點到點光纖通信系統的發展已經歷了五代。從0.8 μm波段到光纖損耗最小的1.55 μm波段，從多模光纖到單模光纖，光放大器和中繼器的使用，以及波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術等的引入，傳輸速率從最初的50～100 Mbit/s增加到40 Gbit/s[1]甚至更高，傳輸距離也從最初的10 km增加到10000 km以上。點到點光纖通信系統的傳輸能力大大增加。

其中，波分復用技術被認為是20世紀光通信領域最偉大的發明之一，它的成功應用極大地提升了光纖的傳輸速率。由于采用光波作為載波，光纖的潛在傳輸能力可以達到幾十Tbit·s?1·km?1。但由于光傳輸中的信號衰減等限制，大規模商用的單路光信道的速率一般不超過100 Gbit/s[2]。不同波長的光信道的間隔距離足夠大時，光信道互不重疊，因此，可以通過將多個不同波長的光信道復用在同一根光纖中來充分利用光纖的潛在帶寬。這一方法被稱為波分復用。具體來講，在發送端，WDM系統利用復用器（合波器）將多個不同波長的光信道匯合到一起，同時耦合進同一根光纖中進行傳輸；在接收端，通過解復用器（分波器或去復用器）將各個光信道分離開，并由光接收機進一步處理恢復出原始光信號。