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【內(nèi)容摘要】
光纖通信符合了高速度、大容量、高保密等要求，但是，光纖通信能實(shí)際應(yīng)用到人類傳輸信息中并不是一帆風(fēng)順的，其發(fā)展中經(jīng)歷了很多技術(shù)難關(guān)，解決了這些技術(shù)難題，光纖通信才能進(jìn)一步發(fā)展。
光纖通信技術(shù)光纖光纜 光有源器件 光無源器件光纖通信系統(tǒng)
【正文】
光自身固有的優(yōu)點(diǎn)注定了它在人類歷史上充當(dāng)不可忽略的角色，隨著人類技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，優(yōu)點(diǎn)也越來越突出。
光纖通信是將要傳送的圖像、數(shù)據(jù)等信號(hào)調(diào)制到光載波上，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
將優(yōu)點(diǎn)突出的光纖通信真正應(yīng)用到人類生活中去，和很多技術(shù)一樣，都需要一個(gè)發(fā)展的過程。
光纖通信技術(shù)的形成
早期的光通信
光無處不在，這句話毫不夸張。在人類發(fā)展的早期，人類已經(jīng)開始使用光傳遞信息了，這樣的例子有很多。打手勢(shì)是一種目視形式的光通信，在黑暗中不能進(jìn)行。白天太陽充當(dāng)這個(gè)傳輸系統(tǒng)的光源，太陽輻射攜帶發(fā)送者的信息傳送給接收者，手的動(dòng)作調(diào)制光波，人的眼睛充當(dāng)檢測(cè)器。另外，3000多年前就有的烽火臺(tái)，直到目前仍然使用的信號(hào)燈、旗語等都可以看作是原始形式的光通信。望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)則又極大地延長(zhǎng)了這類目視形式的光通信的距離。這類光通信方式有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，就是它們能夠傳輸?shù)娜萘繕O其有限。近代歷史上，早在1880年，美國的貝爾（Bell）發(fā)明了“光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動(dòng)鏡片上，使光強(qiáng)度隨話音的變化而變化，實(shí)現(xiàn)話音對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號(hào)變換為電流傳送到受話器。光電話并未能在人類生活中得到實(shí)際的使用，這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有合適的光源和傳輸介質(zhì)。其所利用的自然光為非相干光，方向性不好，不易調(diào)制和傳輸；而以空氣作為傳輸介質(zhì)，損耗會(huì)很大，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，又易受天氣影響，通信極不穩(wěn)定可靠。
如此看來，這種光電話并沒有太大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，然而，我們不得不說，光電話仍是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它的出現(xiàn)證明了用光波作為載波傳輸信息是可行的，因此，把貝爾光電話稱為現(xiàn)代光通信的雛形毫不過分。
光源
1960年，美國的梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，它可以產(chǎn)生單色相干光，使高速信息的光調(diào)制成為可能。和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。但是，紅寶石激光器發(fā)出的光束不容易耦合進(jìn)光纖中傳輸，其耦合效率是極低的，因此需要研制小型化的激光光源。
傳輸介質(zhì)
大氣
1961～1970年，人們主要研究利用大氣傳輸光信號(hào)。試驗(yàn)證明用承載信息的光波通過大氣的傳播實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信是可行的，但是大氣傳輸光通信存在很多嚴(yán)重的問題：
通信能力和質(zhì)量受氣候影響十分嚴(yán)重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30dB/km的衰減，濃霧衰減高達(dá)120dB/km。
大氣的密度和溫度很不均勻，造成折射率的變化，加上大氣湍流的影響，光束位置可能會(huì)發(fā)生偏移和抖動(dòng)。因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實(shí)現(xiàn)“全天候”通信。
大氣傳輸設(shè)備要求設(shè)在高處，收、發(fā)設(shè)備必須直線可見。這種地理?xiàng)l件使得大氣傳輸通信的適用范圍具有很大的局限性。
雖然，固體激光器（例如摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器）的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長(zhǎng)了傳輸距離，使大氣激光通信可以在江河兩岸、海島之間和某些特定場(chǎng)合使用，但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。為了克服氣候?qū)す馔ㄐ诺挠绊?，人們自然想到把激光束限制在特定的空間內(nèi)傳輸。因而提出了透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。透鏡波導(dǎo)是在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個(gè)透鏡，每個(gè)透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鴷?huì)聚到下一個(gè)透鏡而實(shí)現(xiàn)的。反射鏡波導(dǎo)和透射鏡波導(dǎo)相似，是用與光束傳輸方向成 角的兩個(gè)平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成的。這兩種波導(dǎo)從理論上講是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中遇到了不可克服的困難。首先，現(xiàn)場(chǎng)施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；其次，為了防止地面活動(dòng)對(duì)波導(dǎo)的影響，必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。
光纖
為了發(fā)展光通信技術(shù)，人們又考慮和嘗試了各種傳輸介質(zhì)，其中包括利用玻璃材料制成光導(dǎo)纖維來傳輸光信號(hào)，但是當(dāng)時(shí)最好的光學(xué)玻璃材料的損耗在1000dB/km以上，這么高的傳輸損耗根本就無法用于通信。
1966年，美籍華人高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。
1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。因此，光纖通信開始可以和同軸電纜通信競(jìng)爭(zhēng)，世界各國相繼投入大量人力物力，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。
1972年，隨著光纖制備工藝中的原材料提純、制棒和拉絲技術(shù)水平的不斷提高，進(jìn)而將梯度折射率多模光纖的衰減系數(shù)降至4dB/km。
1973年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降到了1.1dB/km。
光纖通信技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展
從宏觀上來看，光纖通信主要包括光纖光纜、光電子器件及光通信系統(tǒng)設(shè)備等三個(gè)部分。
光纖光纜
光纖本身所固有的優(yōu)點(diǎn)及其技術(shù)的進(jìn)步使其成為當(dāng)今社會(huì)信息傳輸?shù)闹饕浇椤?br />
光電子器件
光有源器件
光檢測(cè)器
常見的光檢測(cè)器包括：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。目前的光檢測(cè)器基本能滿足了光纖傳輸?shù)囊?，在?shí)際的光接收機(jī)中，光纖傳來的信號(hào)及其微弱，有時(shí)只有1mW左右。為了得到較大的信號(hào)電流，人們希望靈敏度盡可能的高。光電檢測(cè)器工作時(shí)，電信號(hào)完全不延遲是不可能的，但是必須限制在一個(gè)范圍之內(nèi)，否則光電檢測(cè)器將不能工作。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率不斷提高，超高速的傳輸對(duì)光電檢測(cè)器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對(duì)其制造技術(shù)提出了更高的要求。由于光電檢測(cè)器是在極其微弱的信號(hào)條件下工作的，而且它又處于光接收機(jī)的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會(huì)使信噪比降低，影響重現(xiàn)原來的信號(hào)。因此，光電檢測(cè)器的噪聲要求很小。另外，要求檢測(cè)器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響。
光放大器
光放大器的出現(xiàn)使得我們可以省去傳統(tǒng)的長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)中不可缺少的光－電－光的轉(zhuǎn)換過程，使得電路變得比較簡(jiǎn)單，可靠性也變高。早在1960年激光器發(fā)明不久，人們就開始了對(duì)光放大器的研究，但是真正開始實(shí)用化的研究是在1980年以后。隨著半導(dǎo)體激光器特性的改善，首先出現(xiàn)了法布里－泊羅型半導(dǎo)體激光放大器，接著開始了對(duì)行波式半導(dǎo)體激光放大器的研究。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖拉曼放大器。80年代后期，摻稀土元素的光纖放大器脫穎而出，并很快達(dá)到實(shí)用水平，應(yīng)用于越洋的長(zhǎng)途光通信系統(tǒng)中。目前能用于光纖通信的光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器和摻稀土金屬光纖放大器，特別是摻餌光纖放大器（EDFA）倍受青睞。1985年英國南安普頓大學(xué)首次研制成摻餌光纖，1989年以后摻餌光纖放大器的研究工作不斷取得重大突破。由于光纖放大器的問世，在1990年到1992年不到兩年的時(shí)間里，光纖系統(tǒng)的容量竟增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而在1982年到1990年的8年時(shí)間里，光纖系統(tǒng)的容量才只增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。光放大器的作用和光纖傳輸容量的突飛猛進(jìn)，為光纖通信展現(xiàn)了無限廣闊的發(fā)展前景。非線性的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。光纖拉曼放大器是利用光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)——受激拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生的增益機(jī)理而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸線路與放大線路同為光纖，因此，放大器與線路的耦合損耗小，噪聲較低，增益穩(wěn)定性較好。但由于這種光放大器需要很大的泵浦功率（數(shù)百毫瓦）和很長(zhǎng)的光纖（數(shù)公里）。另外，光纖拉曼放大器的特性對(duì)光纖的偏振狀態(tài)十分敏感。因此，光纖拉曼放大器目前還不能用于光纖通信。
光無源器件
光無源器件是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，在光纖通信向大容量、高速率發(fā)展的今天，光無源器件顯得尤為重要。今年來，新材料、新工藝和新產(chǎn)品在不斷涌現(xiàn)，光無源器件正面臨一個(gè)迅速發(fā)展的時(shí)期。
光纖活動(dòng)連接器
光纖（纜）活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖之間活動(dòng)連接的光無源器件，它還具有將光纖與其他無源器件、光纖與有源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。在進(jìn)一步提高光纖活動(dòng)連接器性能的基礎(chǔ)上，使其向小型化、集成化方向發(fā)展。
進(jìn)一步提高光纖活動(dòng)連接器性能指標(biāo)
目前的插入損耗范圍在0.1dB～0.5dB，平均值為0.3dB，相對(duì)過高且變化范圍大。隨著加工精度的提高，爭(zhēng)取將平均值降到0.1dB以下，變化范圍縮小至0.2dB左右。改變插針端面的幾何形狀是提高回波損耗的有效手段。可以預(yù)期，端面為平面形狀的插針將會(huì)逐漸被淘汰，球面和斜球面的插針會(huì)同時(shí)存在，而且球面插針的需要量仍將占主要地位。此外，采用鍍膜工藝等新的加工技術(shù)來提高回波損耗可以降低零件的加工精度要求，并可提高兩接器的一致性和互換性。
小型化
隨著光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，目前使用的連接器已顯示出體積過大、價(jià)格太貴的缺點(diǎn)，因此小型化是光纖活動(dòng)連接器的發(fā)展方向。光纖活動(dòng)連接器小型化的一種方法是縮小單芯光纖連接器尺寸，開發(fā)小型化（SFF）的連接器，如瑞士Diamond公司的E-2000型連接器，美國朗訊公司的LC型連接器以及日本NTT公司的MU型連接器等，它們的插針直徑只有1.25mm。連接器小型化的另一種方法是開發(fā)適應(yīng)帶狀光纖的多芯光纖連接器，即MT型系列光纖連接器。帶狀光纜具有可集成的優(yōu)勢(shì)，是今年來迅速發(fā)展的一個(gè)光纜品種，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、密集度高；采用注塑成型，一致性好，適于大批量生產(chǎn)；具有較低的插入損耗；具有良好的穩(wěn)定性。隨著干線網(wǎng)、用戶網(wǎng)和局域網(wǎng)的發(fā)展，帶狀光纜連接器將成為連接器發(fā)展的方向。
集成化
光纖活動(dòng)器不僅僅只有連接功能，還具有其它功能，因此，集成化是其發(fā)展的一個(gè)重要方向?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些集成化的多功能產(chǎn)品，如外形與各種變換器一樣的固定衰減器；既可作為FC型轉(zhuǎn)換器，又可以對(duì)光的衰減量連續(xù)可調(diào)（0～25dB）的小型可變衰減器等。光纖活動(dòng)連接器的集成化，不但增加了連接器的功能，而且更重要的是體高其它器件的密集度和可靠性，給使用者帶來極大方便。
固定連接器
固定連接器又稱固定接頭或接線子，它能夠把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。固定接頭的制作方法按其工作原理有熔接法、V形槽法、毛細(xì)管法、套管法等。光纖熔接機(jī)正朝著兩個(gè)方向發(fā)展：一是向全自動(dòng)、多功能方向發(fā)展；二是向小型化、簡(jiǎn)易化方向發(fā)展。目前普遍使用的全自動(dòng)光纖熔接機(jī)設(shè)備笨重，價(jià)格昂貴。今后這一機(jī)型會(huì)朝著提高精度、降低成本、尤其是增加連接芯數(shù)的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著光纖應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大及用戶不同的需要，對(duì)光纖熔接技術(shù)的要求也逐漸趨于多樣化。因此，研制小型和超小型熔接機(jī)就成為第二個(gè)發(fā)展方向。同時(shí)致力于多芯光纖熔接機(jī)和保偏光纖熔接機(jī)的研究生產(chǎn)。對(duì)于其它幾種固定連接器而言，插入損耗和回波損耗這兩個(gè)指標(biāo)上都落后于光纖熔接機(jī)所制作的固定接頭。要想提高這幾種接頭的加工精度，研制更適合的匹配液是一種比較有效的辦法，目前許多廠家正致力于這方面的研究。此外，V形槽和毛細(xì)管結(jié)構(gòu)比光纖熔接機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)帶狀光纖與光波導(dǎo)陣列、光有源器件陣列的固定連接，可以從改善機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)透鏡和匹配液入手，使這種連接得以實(shí)現(xiàn)。最后，為配合帶狀光纜的應(yīng)用，多芯化的固定連接器也應(yīng)大力發(fā)展。
光衰減器
光衰減器是光通信中發(fā)展最早的無源器件之一，目前已形成了固定式、步進(jìn)可調(diào)式、連續(xù)可調(diào)式及智能型光衰減器四種系列。目前，光衰減器的市場(chǎng)越來越大。由于固定光衰減器具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，所以市場(chǎng)需求比可變光衰減器大一些。而可變光衰減器由于其靈活性，市場(chǎng)需求仍穩(wěn)步增長(zhǎng)。國外的光衰減器性能已達(dá)到高性能要求，目前國外的一些光學(xué)器件公司正在不斷開發(fā)各種新型光衰減器，以求獲得性能更高、體積更小、價(jià)格更適宜的實(shí)用化產(chǎn)品。從市場(chǎng)需求的角度來看，光衰減器將向著小型化、系列化、低價(jià)格的方向發(fā)展。此外，由于普通型光衰減器已相當(dāng)成熟，所以今后的研究將側(cè)重于其高性能方面。為了避免器件的光反射引起光源的頻率漂移和線路噪聲，使受此影響較大的系統(tǒng)能夠正常工作，必須在相應(yīng)的線路中使用高回?fù)p衰減器。因此，高回?fù)p衰減器是衰減器發(fā)展的一個(gè)重要方向。此外，光衰減器還必須有更寬的溫度使用范圍和頻譜范圍及多更能等優(yōu)良性能。
光波分復(fù)用器
光波分復(fù)用器（WDM）又稱為光合波/分波器，它是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分離的光無源器件，在解決光纜線路的擴(kuò)容或復(fù)用中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)前使用的光波分復(fù)用器主要是兩波長(zhǎng)的復(fù)用器，例如1310/1550nm主要用于通信線路，980/1550nm和1480/1550nm主要用于光纖放大器。隨著密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)的發(fā)展，多波長(zhǎng)復(fù)用器的需求量正在增加，復(fù)用波長(zhǎng)之間的間隔也在逐漸縮小。當(dāng)波長(zhǎng)之間的間隔為20nm時(shí)，一般稱為粗波分復(fù)用器；波長(zhǎng)之間的間隔為1～10nm時(shí)，一般稱為密集波分復(fù)用器。因此，密集化、小型化、實(shí)用化、組件化是波分復(fù)用器發(fā)展的必然趨勢(shì)。
無源光耦合器
光耦合器的研制、開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)歷了近四十年，目前基本形成了以熔融拉錐型器件為主、波導(dǎo)器件逐漸發(fā)展的局面。隨著光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光纖CATV、局域網(wǎng)、光纖用戶網(wǎng)以及用戶接入網(wǎng)等的迅速發(fā)展，對(duì)光耦合器的需求會(huì)進(jìn)一步增大。
當(dāng)前，能進(jìn)行大批量生產(chǎn)單模光纖耦合器的方法是熔融拉錐法。但是在這種方法中，由于光纖之間的耦合系數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)，所以光傳輸波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，耦合系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，即耦合比發(fā)生變化，一般它隨波長(zhǎng)的變化率為0.2%nm。所以寬帶化是耦合器的一個(gè)重要方向。與此同時(shí)，為了適應(yīng)各種光纖網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量劇增的需要，一方面需要大功率的光源，另一方面在不斷增加耦合器路數(shù)的同時(shí)，進(jìn)一步降低附加損耗、減少器件體積，并提高使用的可靠性。
綜上所述，未來的光耦合器將是寬帶的、集成化的、低損耗和易接入的器件，還應(yīng)根據(jù)要實(shí)現(xiàn)多路數(shù)、小型化等。
光隔離器
隔離器是一種光單向傳輸?shù)姆腔ヒ灼骷鼘?duì)正向傳輸光具有較低的插入損耗，而對(duì)反向傳輸光有很大的衰減作用。目前，光隔離器已經(jīng)產(chǎn)生了一系列的器件，如陣列光隔離器、小型化光隔離器，還有一些隔離器與WDM、Tap、GFF等濾波器混合的器件，這些器件都已研制成功，并批量生產(chǎn)。到目前為止，自由空間型、偏振相關(guān)型隔離器應(yīng)用較多，主要用于有源器件的封裝。從實(shí)用的角度來看，光隔離器發(fā)展的主要方向是高性能偏振無關(guān)在線型光隔離器、高性能偏振靈敏微型光隔離器以及多功能光隔離器。隨著光纖放大器、CATV網(wǎng)、光信息處理、Gbit/s級(jí)高速光纖通信及相干光通信等技術(shù)的進(jìn)一步推廣，光隔離器也正向著高性能、微型化、集成化、多功能能、低價(jià)格方向發(fā)展未來的光隔離器很可能是一種微型化高性價(jià)比的集成器件。
光開關(guān)
隨著密集波分復(fù)用系統(tǒng)和全光通信網(wǎng)的使用，各結(jié)點(diǎn)上的信號(hào)交換直接在光域中完成，這就需要光開關(guān)。由于這些結(jié)點(diǎn)上進(jìn)行交換的光纖和波長(zhǎng)數(shù)量很多，所以這種光開關(guān)應(yīng)當(dāng)是大端口數(shù)的矩陣開關(guān)。因此，光開關(guān)的矩陣化和小型化是光開關(guān)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。今年來出現(xiàn)了能繼承大規(guī)模矩陣陣列而又有良好性能的兩種新型光開關(guān)，即微機(jī)械光開關(guān)（MEMS）和熱光開關(guān)。
結(jié)束語
總的說來，任何一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都是要與人類生活相適應(yīng)的。目前社會(huì)，很多產(chǎn)品都在向小型化、集成化方向發(fā)展，光纖通信領(lǐng)域的設(shè)備也不例外，而其技術(shù)則在向越來越有利于人類的方向發(fā)展，這些技術(shù)、設(shè)備的進(jìn)步都是在我們的研究中不斷進(jìn)步的，我國的光纖通信技術(shù)還需要我們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究發(fā)展。
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