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光纤通信技术
名称: 光纤通信技术
主题词或关键词: 信息科学 光波 光纤 通信技术
光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。
发展历史
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。１９６６年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。１９７７年美国在芝加哥相距７０００米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。８５微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。１９８１年又实现了两电话局间使用１.３微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。１９８４年实现了１.３微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。８０年代中后期又实现了１.５５微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，２０世纪末或２１世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。
组成结构
就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。
光纤光缆技术
光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。
特种光纤具体有以下几种:
1. 有源光纤
这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等，以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段，如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于1550nm附近(C、L波段);掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于1310nm波段;掺铥光纤放大器(TDFA)主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是:直接放大光信号，延长传输距离;在光纤通信网和有线电视网(CATV网)中作分配损耗补偿;此外，在波分复用(WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器，才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器，不仅能使WDM传输的距离大幅度延长，而且也使得传输的性能最佳化。
2. 色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)
常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm×km。当速率超过2.5Gb/s时，随着传输距离的增加，会导致误码。若在CATV系统中使用，会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧，从而使传输特性变坏。为了克服这一问题，必须采用色散值为负的光纤，即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值，从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。在1550nm处，反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm×km。为了得到如此高的负色散值，必须将其芯径做得很小，相对折射率差做得很大，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，通常将其色散与衰减之比称作质量因数，质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤(DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。
3. 光纤光栅(Fiber Grating)
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射(通常称为紫外光"写入")下，于光纤芯部产生周期性的折射率变化(即光栅)而制成的。使用的是掺锗光纤，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射(在载氢气氛中)，使纤芯的折射率产生周期性的变化，然后经退火处理后可长期保存。相位掩膜板实际上为一块特殊设计的光栅，其正负一级衍射光相交形成干涉条纹，这样就在纤芯逐渐产生成光栅。光栅周期模板周期的二分之一。众所周知，光栅本身是一种选频器件，利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。例如:色散补偿器、增益均衡器、光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以及光纤激光器等。
4. 多芯单模光纤(Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF)
多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低,生产成本较普通的光纤约低50%。此外，这种光纤可以提高成缆的集成密度，同时也可降低施工成本。以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就，我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆。目前光缆的含纤数量达千根以上，有力地保证了接入网的建设。
<H3>光有源器件</H3> 光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域，但由于前几年已取得辉煌的成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。
除此之外，目前已在下列几方面取得重大成就。
1. 集成器件
这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化，如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已开始商品化;其它发射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成;接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功，但还没有商品化。
2. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)
由于便于集成和高密度应用，垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并开始商品化;在长波长(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行，目前也有少量商品。可以断言，垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。
3. 窄带响应可调谐集成光子探测器
由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到0.1nm。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个重要的全面解决方案。
4. 基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/Si MQW)
这方面的研究是一大热点。众所周知，硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性，以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实现光电集成，即OEIC)的目的，这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日趋完善。
光无源器件
光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展，导致光无源器件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模，品种和性能也得到了极大的扩展和改善。所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、其种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络中主要的作用是: 连接光波导或光路; 控制光的传播方向;控制光功率的分配; 控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合; 合波与分波; 光信道的上下与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模，不仅满足国内需要，而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅CAWG等等。这些都还处于研发阶段或试生产阶段，有的也能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而，接入网产品有巨大的市场及潜在的市场。
光复用技术
光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。光复用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域，它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展，给传输技术带来了革命性的变革。波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022个波长(能传输368亿路电话)，近期的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长(包括光的偏振模色散复用，OPDM)。据1999年5月多伦多的Light Management Group Inc ofToronto演示报导，在一根光纤中传送了65536个光波，把PC数字信号传送到200m的广告板上，并采用声光控制技术，这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合，则会使复用的容量增加得更大，如虎添翼。
光放大技术
光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。 光放大器主要有3种:光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带; 掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。
到此，我们系统、全面地评论了光纤通信技术的重大进展，至于光纤通信技术的发展方向，可以概括为两个方面: 一是超大容量、超长距离的传输与交换技术; 二是全光网络技术。
主题词或关键词: 信息科学 光波 光纤 通信技术
光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。
发展历史
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。１９６６年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。１９７７年美国在芝加哥相距７０００米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。８５微米波段的多模光纤为第一代光纤通信系统。１９８１年又实现了两电话局间使用１.３微米多模光纤的通信系统，为第二代光纤通信系统。１９８４年实现了１.３微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。８０年代中后期又实现了１.５５微米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。新系统中，相干光纤通信系统，已达现场实验水平，将得到应用。光孤子通信系统可以获得极高的速率，２０世纪末或２１世纪初可能达到实用化。在该系统中加上光纤放大器有可能实现极高速率和极长距离的光纤通信。
组成结构
就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。
光纤光缆技术
光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。
特种光纤具体有以下几种:
1. 有源光纤
这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等，以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段，如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于1550nm附近(C、L波段);掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于1310nm波段;掺铥光纤放大器(TDFA)主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是:直接放大光信号，延长传输距离;在光纤通信网和有线电视网(CATV网)中作分配损耗补偿;此外，在波分复用(WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器，才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器，不仅能使WDM传输的距离大幅度延长，而且也使得传输的性能最佳化。
2. 色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)
常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm×km。当速率超过2.5Gb/s时，随着传输距离的增加，会导致误码。若在CATV系统中使用，会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧，从而使传输特性变坏。为了克服这一问题，必须采用色散值为负的光纤，即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值，从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。在1550nm处，反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm×km。为了得到如此高的负色散值，必须将其芯径做得很小，相对折射率差做得很大，而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值，通常将其色散与衰减之比称作质量因数，质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散，最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤(DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同，但符号相反，所以更适合在整个波形内的均衡补偿。
3. 光纤光栅(Fiber Grating)
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射(通常称为紫外光"写入")下，于光纤芯部产生周期性的折射率变化(即光栅)而制成的。使用的是掺锗光纤，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射(在载氢气氛中)，使纤芯的折射率产生周期性的变化，然后经退火处理后可长期保存。相位掩膜板实际上为一块特殊设计的光栅，其正负一级衍射光相交形成干涉条纹，这样就在纤芯逐渐产生成光栅。光栅周期模板周期的二分之一。众所周知，光栅本身是一种选频器件，利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。例如:色散补偿器、增益均衡器、光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以及光纤激光器等。
4. 多芯单模光纤(Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF)
多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低,生产成本较普通的光纤约低50%。此外，这种光纤可以提高成缆的集成密度，同时也可降低施工成本。以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就，我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆。目前光缆的含纤数量达千根以上，有力地保证了接入网的建设。
<H3>光有源器件</H3> 光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域，但由于前几年已取得辉煌的成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。
除此之外，目前已在下列几方面取得重大成就。
1. 集成器件
这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化，如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已开始商品化;其它发射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成;接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功，但还没有商品化。
2. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)
由于便于集成和高密度应用，垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并开始商品化;在长波长(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行，目前也有少量商品。可以断言，垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。
3. 窄带响应可调谐集成光子探测器
由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到0.1nm。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个重要的全面解决方案。
4. 基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/Si MQW)
这方面的研究是一大热点。众所周知，硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性，以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实现光电集成，即OEIC)的目的，这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日趋完善。
光无源器件
光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展，导致光无源器件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模，品种和性能也得到了极大的扩展和改善。所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、其种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络中主要的作用是: 连接光波导或光路; 控制光的传播方向;控制光功率的分配; 控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合; 合波与分波; 光信道的上下与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模，不仅满足国内需要，而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅CAWG等等。这些都还处于研发阶段或试生产阶段，有的也能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而，接入网产品有巨大的市场及潜在的市场。
光复用技术
光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。光复用技术是当今光纤通信技术中最为活跃的一个领域，它的技术进步极大地推动光纤通信事业的发展，给传输技术带来了革命性的变革。波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022个波长(能传输368亿路电话)，近期的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长(包括光的偏振模色散复用，OPDM)。据1999年5月多伦多的Light Management Group Inc ofToronto演示报导，在一根光纤中传送了65536个光波，把PC数字信号传送到200m的广告板上，并采用声光控制技术，这说明了密集波分复用技术的潜在能力是巨大的。OTDM是指在一个光频率上，在不同的时刻传送不同的信道信息。这种复用的传输速度已达到320Gb/s的水平。若将DWDM与OTDM相结合，则会使复用的容量增加得更大，如虎添翼。
光放大技术
光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。 光放大器主要有3种:光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、镨、铥等)作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带; 掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。
到此，我们系统、全面地评论了光纤通信技术的重大进展，至于光纤通信技术的发展方向，可以概括为两个方面: 一是超大容量、超长距离的传输与交换技术; 二是全光网络技术。
