光纤通信讲座(2)：光纤通信发展概述

光纤通信发展概述1早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势2早期的光通信原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。到了1880年，贝尔发明了用光波作载波传送话音的“光电话”，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。3早期的光通信－贝尔“光电话”将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响。4早期的光通信1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望。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。激光器的发明是现代光通信的标志。在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。5在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地面光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地面通信的实验。早期的光通信6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。早期的光通信7早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势8光纤的发明1966年，英籍华裔学者高锟博士(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。9高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题。发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质。其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀。他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。光纤的发明10高锟荣获2009年度诺贝尔物理学奖光纤通信发明家高锟(左)

1998年在英国接受IEE授予的奖章光纤的发明111970年代，光纤研制取得了重大突破1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。121973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/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。1970年代，光纤研制取得了重大突破131970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。141973年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展151977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。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1.55μm的连续振荡半导体激光器。80年代中期，研制成功动态单纵模激光器，如分布反馈激光器(DFB)。1970年代，光纤通信用光源也取得了实质性的进展16由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年代成为光纤通信发展的一个重要时期。17早期的光通信光纤通信主要部件的发展光纤通信系统的发展国内外光纤通信发展现状和趋势18光纤通信系统的组成19光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机等组成。光纤通信系统的组成20光发送机光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器。21光接收机光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制，解调器可以省略。22中继器中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离，电中继器可对数字信号进行整形、再生。1987年，英国南安普敦大学研制成功掺铒光纤放大器（EDFA），开启了光纤放大器应用的新纪元，实现了实用化的光－光中继，是延长光纤通信传输距离和增加传输容量的一个突破性进展。23实用光纤通信系统的发展1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个商用光纤通信系统的现场试验。码率为44.736Mbit/s，距离为10km。1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。241976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。实用光纤通信系统的发展25随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。实用光纤通信系统的发展261996年，单波长系统的速率已达10G/S(OC-192)以上，继续提高速率很困难。光孤子通信，孤子是一种不弥散的脉冲，是光纤非线性效应与色度色散相抵消的产物。采用光放大器，10Gb/s的孤子信号实验传输距离达到12200km。相干光通信。80年代研究很多，但技术难度很高，无法实用。实用光纤通信系统的发展27波分复用（WDM）技术80年代，已出现两波长(1310nm/1550nm)的WDM系统，但90年代中期以前发展缓慢。原因：TDM技术发展迅速，155Mb/s~622Mb/s~2.5Gb/s。波分复用器件和光放大器未成熟。28密集波分复用系统(DWDM)的发展美籍华人厉鼎毅博士为首的AT＆T贝尔实验室光通信研究小组在90年代初提出密集波分复用的概念，采用增加传输波长的方法提高单根光纤的传输容量。DWDM技术对光纤通信具有划时代的意义。厉鼎毅博士被称为DWDM之父。29密集波分复用系统的基本原理利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。30波段划分O-band:1260to1360E-band:1360to1460S-band:1460to1530C-band:1530to1565L-band:1565to16251200OESCL17001300140015001600nm31密集波分复用系统试验323334352015TransmissionCapacity(bps)(CurrentWorldRecord)光纤传输能力的发展19751985199520051M10M100M1G10G100G1T10T100T1P128Ch10Ch3Ch273ChWDMR&DYear1000Ch14Tb/s（2bits/Hz）TDM

2Chx6.3M2Chx150M16Chx2.5GF-1.6GF-400MF-100MF-32MF-2.5G32Chx10GF-10G176Chx10G4Chx2.5GBusinessWDM25.6Tb/s（3.2bits/Hz）SingleModeFiberDFBLaserOptical

AmplifierAWGTDMWDMPSKMulti-LevelCoherentOFDM35第一波,1996-2001年

密集波分复用技术大发展。传输距离虽不长，一条光纤中的复用波长却越来越多，以2001年日本NEC公司的10.92Tbps系统，复用273个波长,波长间隔0.4ns,每波长40Gb/s，使用S,C,L三个波段为高峰。第二波，2002年-2005年

超长距离光纤技术大发展。在波长不多的系统中试验各种延长中继段和系统总长度的技术。以美国Tyco公司的11,000~13,100km太平洋海底光缆系统为代表。使用掺铒光纤放大器（EDFA）、喇曼放大器（RFA）及其结合，利用光DPSK和光QPSK来提高带宽效率。

干线光纤传输系统发展的几波潮流36第三波，2006年-现在

频带高效的光调制解调技术大发展。包括DQPSK（差分四相键控、RZ-DQPSK（归零差分四相键控）、CZRZ-DQPSK（载波抑制归零差分四相键控）、RZ-8PSK（归零八相键控）、RZ-8QAM(归零八电平正交振幅键控),最后发展到OFDM-8QAM、OFDM-16QAM、OFDM-64QAM（正交频分子载波上的8QAM、16QAM、64QAM）。

总之射频数字调制解调体制中的所有高效格式都已经或正在光波调制解调中应用。再加上偏振复用和相干检测技术。

干线光纤传输系统发展的几波潮流37这说明,光纤通信正在步入高级阶段。过去,人们认为光纤带宽“无限”，只须采用最简单的IM-DD(强度调制—直接检测)即可建立容量大、可靠性高的通信系统，无需电子通信领域的复杂技术。随着信息社会的发展，连单模光纤的带宽也须节省利用了。于是要把电子通信领域的复杂技术移植到光波领域。

干线光纤传输系统发展的几波潮流38我国光缆建设历程从九十年代初开始到1995年底共敷设长途光缆约11万公里,基本建成PDH网到1998年底共敷设长途光缆约17万公里,基本建成“八纵八横”采用SDH技术的省际干线网1998年开始采用DWDM技术扩容39“八五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线22条，约3.8万公里采用PDH技术传输速率:140Mbit/s、565Mbit/s设备供应厂家：武汉院、韩国三星、日本FUJITSU、澳大利亚NEC、美国LUCENT、PKI、意大利ITALTEL按每条干线设置网管设备40“八五”期间干线光缆建设简况系统工作波长1310nmG.652光纤中继距离60~70公里光缆芯数12~24除拉萨外,各个省会均有干线光缆联通,树形网,没有保护41“九五”期间干线光缆建设简况建设省际光缆干线28条，约4万公里采用SDH和DWDM技术传输速率:622Mbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s设备供应厂家：SDH：FUJITSU、NEC、LUCENT、SIEMENS、GPT、ALCATEL、NORTEL、ERICSSON、ECI、武汉院DWDM：LUCENT、NEC、ALCATEL42“九五”期间干线光缆建设简况按省设置网管设备系统工作波长1550nmG.652光纤及G.653光纤中继距离70~80公里光缆芯数36~48所有省会均有干线光缆联通除拉萨外,各个省会均有两个以上干线光缆出口格形网，缺乏必要的保护措施43

“九五”期间干线光缆建设简况

八纵

牡丹江—上海—广州；齐齐哈尔—北京—三亚；呼和浩特—太原—北海；哈尔滨—天津—上海；北京—九江—广州；呼和浩特—西安—昆明；兰州—西宁—拉萨；兰州—贵阳—南宁44

“九五”期间干线光缆建设简况

八横天津—呼和浩特—兰州；青岛—石家庄—银川；上海—南京—西安；连云港—乌鲁木齐—伊宁；上海—武汉—重庆；杭州—长沙—成都；广州—南宁—昆明；上海—广州—昆明45DWDM干线建设情况使用DWDM技术的干线:京—汉—广；京—津—沪；京—太—西；沪—福—穗；汉—宁—沪；成—渝；济—青；广—汕头采用82.5Gbit/s全长约13000公里，居世界第二设备供应厂家：LUCENT、NEC、NORTEL、ALCATEL、武汉院和大唐46第一个长距离海底DWDM系统从德国－新加坡的SEA-ME-WE-3系统，8个STM-16(OC48,2.5Gb/s)波长，1998年。47部分中国参建的海底光缆系统1．中日光缆（C-J）

连接中国上海南汇和日本宫崎，全长1260公里，传输速率565Mbps，共有两对光纤，于1993年12月开通。2．中韩光缆（C-K）

连接中国山东青岛和韩国，全长549公里，传输速率565Mbps，两对光纤，于1996年2月开通。3．环球光缆（FLAG）

连接亚洲、中东和欧洲，全长3.9万公里，共有12个登陆站，为分支形网络结构，中国登陆站在上海南汇，传输速率5Gbps，共有两对光纤，于1997年9月开通。

484．亚欧光缆（SEA-ME-WE3） 连接亚洲、中东和欧洲，全长3.9万公里，连接33个国家和地区，共有39个登陆站，为分支形网络结构，是迄今为止世界上最长的海底光缆系统。中国登陆站在上海崇明和广东汕头，传输容量2.5Gbps×8个波长（可扩容至16个波长），两对光纤，于1999年12月开通。5．中美光缆（CHINA-USCN） 连接亚洲和北美洲，全长约3万公里，共有9个登陆站，中国登陆站在上海祟明和广东汕头，其他登陆方还有日本、韩国、美国和中国台湾，系统传输速率2.5Gbps×8个波长，四对光纤，采用具有自愈功能的环型网络结构。北线于1999年开通，南线于2001年开通。部分中国参建的海底光缆系统496．亚太光缆2号（APCN2）

连接亚洲国家和地区，全长约1.9万公里，共有10个登陆站，中国登陆站在上海崇明和广东汕头，其他登陆方还有日本、韩国、香港、马来西亚、新加坡、菲律宾和中国台湾，系统传输速率2.5Gbps×8个波长，共有四对光纤，采用具有自愈功能的环型网络结构，于2001年第四季度开通了初期的80Gbps容量，今后可继续扩容至2.56Tbps的终期容量。中国的三大国际电路运营商中国电信、中国网通和中国联通均参与了此条海缆的建设。部分中国参建的海底光缆系统507．C2C国际海缆

这是由新加坡电信为主要控股公司的C2C公司发起的一条连接亚太主要国家的大容量海缆系统。设计容量为10Gbps×96×8FP共计7.68T，连接日本、韩国、中国大陆台湾以及东南亚。中国网通作为C2C公司的中国大陆登陆提供方，建设了上海芦潮港登陆站，从而成为继中国电信后内地第二家拥有国际海缆登陆站的电信运营商。

部分中国参建的海底光缆系统518、TPE中美海缆（Trans-PacificExpress）由中国电信、中国网通、中国联通、中华电信、韩国电信(KT)和美国Verizon共同出资5亿美元，2008年奥运会前建成。单波长容量10G/s，总容量5.12Tb/s。中国大陆的登陆点为上海崇明和青岛。设计时考虑了地震的影响。

据CNNIC统计，2009年7月，中国国际互联网出口带宽达到747G部分中国参建的海底光缆系统52起步于1970年代，与国际水平在器件上有较大差距，在传输系统上有一定差距。70年代末，可制造多模光纤、LED、LD和PIN管。在上海和武汉建立8Mb/s和34Mb/s数字光纤通信实验系统。80年黄宏嘉院士在上海科大（上海大学）制成中国第一根单模光纤。中国光纤通信的发展53中国光纤通信技术的发展86年，上海、武汉等地研制成140Mb/s数字单模实验系统。80年代末实用化。92年，中国第一个基于HFC方式的CATV系统在嘉定开通。目前，光纤光缆产能居世界前列；光通信系统水平处于世界先进，40Gb/s的DWDM系统已商用；通用的光有源器件、光无源器件等形成产业；光纤通信新技术的应用与世界同步。54五代光纤传输系统的发展第一代光纤传输系统 工作波长为850nm，采用多模光纤。这种系统几乎已经被淘汰，因为光纤损耗大，现在只有一些光纤计算机局域网还使用。第二代光纤传输系统 工作波长为1310nm，采用多模光纤。因为多模光纤带宽窄，有模式噪声，故除了光纤计算机局域网还用这种系统外，现在电话、电视传输网都不采用这种系统。

55第三代光纤传输系统

工作波长为1310nm，采用常规单模光纤（ITU-TG.652，零色散波长在1310nm）。这种系统适用于中等距离的数字、模拟信号的传输。对数字电话应用，一般采用FP激光器，在140Mbit/s传输速率的典型中继距离为50km。对模拟电视应用，主要采用DFB激光器，最大无中继传输距离不超过40km（发送光功率为＋12dBm时）。五代光纤传输系统的发展56第四代光纤传输