光纤通信技术的发展史及其现状要点.pdf
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1、本 科 学 生 读 书 报 告 论文题目: 光纤通信技术的发展史及其现状 学院:电子工程学院 年级: 专业: 姓名: 学号: 指导教师: I 摘要 光纤通信符合了高速度、大容量、高保密等要求,但是,光纤通信能实际应用到人 类传输信息中并不是一帆风顺的, 其发展中经历了很多技术难关, 解决了这些技术难题, 光纤通信才能进一步发展。 本文从光源及传输介质、 光电子器件、光纤通信系统的发展来展示光纤通信技术的 发展。 关键词 光纤通信技术光纤光缆;光有源器件;光无源器件;光纤通信系统 II Abstract Optical fiber communication in line with the h
2、igh speed, high capacity etc requirements, however, optical fiber communication can actual application to human transmission of information and is not straightforward, its developing experience a lot of technical challenges, solve these technical problems, optical fiber communication to further deve
3、lopment. This paper, from the light source and the transmission medium, the optoelectronic devices, optical fiber communication system to show the development of the optical fiber communication technology development. Key words Optical fiber communication technology of optical fiber cable ;Active op
4、tical device ;Optical passive device ;Optical fiber communication system 目录 摘要 I AbstractII 前言 . 1 第一章 光纤通信技术的形成 . 1 1.1 早期的光通信 1 1.2 现代光纤通信技术的形成 2 第二章 光纤通信技术现状及其发展 . 4 2.1 光纤光缆 4 2.2 光电子器件 5 2.2.1 光有源器件 5 2.2.2 光无源器件 6 2.3 光纤通信系统 9 第三章 我国光纤通信的发展 . 10 结论 . 11 参考文献 . 12 光纤通信技术的发展史及其现状 1 前言 光自身固有的优点注定
5、了它在人类历史上充当不可忽略的角色,随着人类技术的 发展,其应用越来越广泛,优点也越来越突出。 光纤通信是将要传送的图像、 数据等信号调制到光载波上, 以光纤作为传输媒介的 通信方式。作为载波的光波频率比电波频率高得多,作为传输介质的光纤又比同轴电缆 或波导管的损耗低得多, 因此相对于电缆通信或微波通信,光纤通信具有许多独特的优 点。 将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去,和很多技术一样, 都需要一个发 展的过程。 第一章 光纤通信技术的形成 1.1 早期的光通信 光无处不在,这句话毫不夸张。在人类发展的早期,人类已经开始使用光传递信息 了,这样的例子有很多。 打手势是一种目视形式的光通
6、信,在黑暗中不能进行。 白天太阳充当这个传输系统 的光源,太阳辐射携带发送者的信息传送给接收者,手的动作调制光波, 人的眼睛充当 检测器。 另外, 3000 多年前就有的烽火台,直到目前仍然使用的信号灯、旗语等都可以看 作是原始形式的光通信。望远镜的出现则又极大地延长了这类目视形式的光通信的距 离。 这类光通信方式有一个显著的缺点,就是它们能够传输的容量极其有限。 近代历史上,早在 1880 年,美国的贝尔( Bell )发明了“光电话”。这种光电话利 用太阳光或弧光灯作光源, 通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上,使光强度随 话音的变化而变化, 实现话音对光强度的调制。 在接收端, 用抛
7、物面反射镜把从大气传 来的光束反射到硅光电池上,使光信号变换为电流传送到受话器。 光纤通信技术的发展史及其现状 2 光电话并未能在人类生活中得到实际的使用,这主要是因为当时没有合适的光源和 传输介质。其所利用的自然光为非相干光,方向性不好,不易调制和传输;而以空气作 为传输介质,损耗会很大,无法实现远距离传输, 又易受天气影响, 通信极不稳定可靠。 如此看来,这种光电话并没有太大的实际应用价值,然而,我们不得不说,光电话 仍是一项伟大的发明, 它的出现证明了用光波作为载波传输信息是可行的,因此,把贝 尔光电话称为现代光通信的雏形毫不过分。 1.2 现代光纤通信技术的形成 随着社会的发展, 信息
8、传输与交换量与日俱增, 传统的通信方式已不能满足人们的 需要。为了扩大通信容量,通信方式从中波、短波发展到微波、毫米波,这实际上就是 通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。 继续提高频率,达到光波波段,光波是人们最熟悉的电磁波,其波长在微米级,而 频率则为 14 10Hz数量级,这比常用的微波频率高 4 10 5 10倍。如此看来, 用光波作为载 波进行通信,通信容量将大大超过传统通信方式。 要发展光通信,最重要的问题就是要寻找适用于光通信的光源和传输介质 。 1970 年,光纤和激光器这两个科研成果同时问世,拉开了光纤通信的帷幕,所以 我们把 1970 年称为光纤通信的“元年” 。 1、
9、光源 1960 年,美国的梅曼( T.H.Maiman)发明了红宝石激光器,它可以产生单色相干 光,使高速信息的光调制成为可能。 和普通光相比,激光具有波谱宽度窄,方向性极好,亮度极高,以及频率和相位较 一致的良好特性。 激光是一种高度相干光, 它的特性和无线电波相似, 是一种理想的光 载波。 但是,红宝石激光器发出的光束不容易耦合进光纤中传输,其耦合效率是极低的, 因此需要研制小型化的激光光源。 1970年,美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC )和前苏联先后突破了半导体激光 器在低温( 200 C)或脉冲激励条件下工作的限制,研制成功室温下连续工作的镓 铝砷( GaAlAs)双异质结半导体
10、激光器(短波长) 。虽然寿命只有几个小时,但其意义 是重大的,它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年,半导体激光器寿命达到10 万小时(约 11.4 年) ,外推寿命达到 100万小时,完全满足实用化的要求。 在这个期间, 1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP ) 激光器, 1979年美国电报电话(AT&T ) 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55m的 连续振荡半导体激光器。 激光器的发明和应用,使沉睡了80 年的光通信进入一个崭新的阶段。 2、 传输介质 1)大气 19611970年,人们主要研究利用大气传输光信号。美国麻省理工
11、学院利用He-Ne 光纤通信技术的发展史及其现状 3 激光器和 2 CO 激光器进行了大气激光通信试验。 试验证明用承载信息的光波通过大气的 传播实现点对点的通信是可行的,但是大气传输光通信存在很多严重的问题: (1)通信能力和质量受气候影响十分严重。由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收 和散射,光波能量衰减很大。 例如,雨能造成 30dB/km的衰减,浓雾衰减高达 120dB/km。 (2)大气的密度和温度很不均匀,造成折射率的变化,加上大气湍流的影响, 光束位置可能会发生偏移和抖动。因而通信的距离和稳定性都受到极大的限制,不能实 现“全天候”通信。 (3)大气传输设备要求设在高处,收、发设备必须
12、直线可见。这种地理条件使 得大气传输通信的适用范围具有很大的局限性。 虽然,固体激光器(例如掺钕钇铝石榴石(Nd :YAG )激光器)的发明大大提高了 发射光功率, 延长了传输距离, 使大气激光通信可以在江河两岸、海岛之间和某些特定 场合使用,但是大气激光通信的稳定性和可靠性仍然没有解决。 为了克服气候对激光通信的影响,人们自然想到把激光束限制在特定的空间内传 输。因而提出了透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一 定距离安装一个透镜, 每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。反射镜波 导和透射镜波导相似,是用与光束传输方向成45角的两个平行反射镜代替透镜而构成
13、的。 这两种波导从理论上讲是可行的,但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先, 现场施工中校准和安装十分复杂;其次,为了防止地面活动对波导的影响,必须把波导 深埋或选择在人车稀少的地区使用。 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质,对光通信的研究曾一度走入了低潮。 2)光纤 为了发展光通信技术,人们又考虑和尝试了各种传输介质,其中包括利用玻璃材料 制成光导纤维来传输光信号,但是当时最好的光学玻璃材料的损耗在1000dB/km以上, 这么高的传输损耗根本就无法用于通信。 1966 年,美籍华人高锟( C.K.Kao)和霍克哈姆( C.A.Hockham )发表了关于传输介 质新概念的论文, 指出
14、了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径,奠定了光纤通信 的基础。 1970 年, 光纤研制取得了重大突破。 美国康宁 (Corning) 公司研制成功损耗20dB/km 的石英光纤。 因此,光纤通信开始可以和同轴电缆通信竞争,世界各国相继投入大量人 力物力,把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972 年,随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断提高,进 而将梯度折射率多模光纤的衰减系数降至4dB/km。 1973 年,美国贝尔实验室研制的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降到了 1.1dB/km。 1976 年日本电报电话(NTT )公司等单位将光纤损耗降低到0
15、.47dB/km(波长 1.2m) 。 在以后的 10 年中, 1.55m波长处的光纤损耗 (如图 2 所示) : 1979 年是 20dB/km, 1984年是 0.157dB/km,1986年是 0.154dB/km,接近了光纤最低损耗的理论极限。 光纤通信技术的发展史及其现状 4 图1 0 5 10 15 20 25 1 9 7 0 1 97 2 1 9 73 1 9 7 4 年 dB/km 光 纤 损 耗 情 图2 0 5 10 15 20 25 197919841986 年 dB/km 1550 nm 波 长处 光纤 损耗 1976 年,在进一步设法降低玻璃中的OH(氢氧根)含量时,
16、发现光纤的衰减在 长波长区有 1.31m和 1.55m两个低损耗窗口。 1976 年,美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验,系统 采用 GaAlAs激光器作为光源,多模光纤作为传输介质,速率为44.736Mbit/s 、传输距 离约 10km ,这一试验使光纤通信向实用化迈出了第一步。 1980 年,原材料提纯和光纤制备工艺得到不断完善,从而加快了光纤的传输窗口由 0.85m移至 1.31m和 1.55m的进程。特别是制出了低衰减光纤,其在1.55m的 衰减系数为 0.20dB/km,已接近理论值。与此同时,为促进光纤通信系统的实用化,人 们又及时地开发出适用于长波长的光
17、源,即激光器、发光管和光检测器。 应运而生的光 纤成缆、光无源器件、 性能测试及工程应用仪表等技术的日趋成熟,都为光纤光缆作为 新的通信传输媒质奠定了良好的基础。 1981 年以后,世界各发达国家将光纤通信技术大规模地推入商用。历经20 余年的 突飞猛进的发展,光纤通信速率已由1978 年的 45Mbit/s (例如美国 MCI于 1991 年开 通了 Chicago 至 St.Louis全长 275 英里的 410Gbit/s的商用光纤通信系统等) 。 第二章 光纤通信技术现状及其发展 从宏观上来看, 光纤通信主要包括光纤光缆、 光电子器件及光通信系统设备等三个 部分。 2.1 光纤光缆 光
18、纤本身所固有的优点及其技术的进步使其成为当今社会信息传输的主要媒介。图 3 展示了北美消费的光缆较多,占了全球近25% ,其次为欧洲。全球光纤的消费额逐年 增加,由此看出,光纤的市场需求量在增加,其应用越来越广。 光纤通信技术的发展史及其现状 5 0 100 200 300 400 亿美元 19982008 年 图3 光纤消费地域分布情况 全球 北美 欧洲 0 100 200 300 400 亿美元 19982008 年 图4 单模、多模光纤消费情况 单模光纤 多模光纤 总额 图5 1998年光纤消费情况 单模光纤 多模光纤 图6 预计2008年光纤消费情况 单模光纤 多模光纤 图 4 展示了
19、单模、多模光纤的消费额总体在增加,结合图5、图 6 又可以知道单模 光纤的市场份额有所下降,多模光纤的应用则变得较为广泛。 2.2 光电子器件 2.2.1 光有源器件 1)光检测器 常见的光检测器包括: PN光电二极管、 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD ) 。 目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求,在实际的光接收机中, 光纤传来的信号 及其微弱,有时只有 1mW 左右。为了得到较大的信号电流, 人们希望灵敏度尽可能的高。 光电检测器工作时,电信号完全不延迟是不可能的, 但是必须限制在一个范围之内, 否则光电检测器将不能工作。 随着光纤通信系统的传输速率不断提高,超高速的传输对
20、光电检测器的响应速度的要求越来越高,对其制造技术提出了更高的要求。 由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的,而且它又处于光接收机的最前 端, 如果在光电变换过程中引入的噪声过大,则会使信噪比降低, 影响重现原来的信号。 因此,光电检测器的噪声要求很小。 另外,要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影 响。 2)光放大器 光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光电 光的转换过程,使得电路变得比较简单,可靠性也变高。 早在 1960 年激光器发明不久,人们就开始了对光放大器的研究,但是真正开始实 光纤通信技术的发展史及其现状 6 用化的研究是
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