第1章 概论 1.1 光纤通信发展史 1966年，在英国标准通信实验室（STL）工作的英籍华人高锟，发表论文光频介质纤维表面波导（Dielectric-Fiber Sur f ace Waveguide For Optical Frequency），提出石英光纤可实现光纤通信。该论文的要点如下：光纤的容量很大；②高纯石英光纤对光能的损失可低达20dB/km；③单模光波导的原理构造。但当时绝大多数人认为和②是不可能成立的，因为当时照相机镜头用最好的光学玻璃，损失是700dB/km，通常的窗玻璃损失是10000xdB/km。然而，少数有远见的科学家如英国电信研究所（British Telecom Research Laboratories，BTRL）领导、美国贝尔实验室主席Ross 和世界最大的玻璃公司康宁（Corning Glass Work）认为可能。1970年，康宁公司研制出一根约30m长的石英光纤，其损失约20dB/km，据说花费了3000万美元。1976年，贝尔实验室在美国华盛顿和亚特兰大之间建立世界第一条实验线路，速率为45Mb/s。由于当时激光器尚未研制成功，采用发光二极管（LED）做光源，因此速率很低。1981年，通信用的半导体激光器研制成功，光纤通信的传输速率达到144Mb/s，相当于1920路数字电话，超过电缆传输的1800路模拟电话。之后，光纤通信全面取代电缆通信。由于当时电子器件的速率有限，因此无法发挥光纤带宽很大的优势。1990年，微电子有了一定的进步，之后光纤通信的速率达到xGb/s。1996年，各种不同波长的激光器研制成功，在一根光纤内用许多波长来传输通信信号，即波分复用技术，使传输的信息按波长数倍增，于是一根光纤的传输速率达到640Gb/s或更高。英国、日本、德国、法国和意大利等发达国家也随之研发、生产、建设光纤通信设备和线路。2000年后，一根光纤的传输速率达到xTb/s（1Tb＝1000Gb）。2010年，实验室中单波长可传输100Gb/s，一根光纤的传输速率达到100Tb/s。现在商用的光纤通信线路的速率可达100Gb/s。人们认识到光纤通信的价值，可毫不夸张地说，光纤的诞生引发了通信技术的一场革命。2009年10月6日，光纤发明人高锟获得诺贝尔奖。现在，全世界的通信线路几乎都是光纤，只有用户到通信小站一小段线路仍是铜线。相信不久的将来，光纤到户（fiber to the home，FTTH）一定会实现。现在，发达国家如美国和日本等已有约50%的用户实现FTTH。在中国，1973年武汉邮电科学研究院开始研究光纤通信，当时也是几乎无人相信光纤可用于通信。在与国外隔绝的情况下，研究工作进展得很艰难。1978年起改革开放的实行大大加快了研发工作的进展，实用化的光纤光缆开发成功，可批量生产。相继光纤通信光端机和数字编码通信机在武汉和上海研制成功，光源LED在上海、四川绵阳和武汉等地研制成功。1982年，中国第一条商用光纤通信线路在武汉建成，跨越武昌―汉阳―汉口，全长13.3km，传输速率为8.448 Mb/s，相当于120 路电话。我国第一条商用各种速率的光纤通信线路如表1.1 所示。1.2 光纤导光原理 光纤又称光导纤维，是头发粗细的玻璃丝，其功用是引导光信号转弯，以便和远方通信。众所周知，光是直线传播，不会转弯。光纤是利用物理的全反射原理使光转弯。光纤由纤芯和包层组成，芯材料对光的折射率n2 大于包层的折射率n1，以形成全反射，只要弯曲不太大，就可使光信号在光纤的纤芯内传播而转弯，如图1.1所示。1.3 光纤通信系统工作原理 光纤通信原理如图1.2所示，图中仅表示了单方向的传输，反方向的结构是相同的。其中的电端机（发）的作用是把来自信息源的模拟信号变换成数字信号，同时进行光时分复用（time division multiplex，TDM），把多路信号（1～n）变换成1个信号，以便在1根光纤内传输。注意到通常激光器的非线性严重，不适合发送模拟信号，会发生串话。电信号进入光端机（发）内，驱动和调制光端机内的激光器，发出带有信息的光信号进入光纤，传导至远方。远方的光信号进入光端机（收），由光端机（收）内的光检测器把光信号还原为电信号，再经电端机（收）把复用的数字解时分成为1～n路，并且把数字信号还原成模拟信号，如话音。如果传输的距离太远，由于光纤对光信号有能量损失，信号太弱，那么在线路中间需要采用中继站或光放大器，以确保通信质量，这部分内容将在后面详述。1.4光纤通信网通常光纤通信系统的一端是用户，经过光纤线路到另一端是电信局。电信局内光纤通信设备中的电端机连接交换机。交换机连接多个方向的光纤通信系统构成光纤通信网。接入网――直接连接用户的通信线路称为接入网（access network，AN），通常AN线路长约1km，所以又称为“最后一公里”（采用英制的国家称为“最后一英里”）。AN 可采用光纤通信，也可采用铜线。局域网――连接局部地区进行通信的网络称为局域网（local area network，LAN）。城域网――城市内的通信网称为城域网（metropolitan area network，MAN）。通常MAN 采用光纤通信。广域网――多个城市连接的网络称为广域网（wide area network，WAN）。通常WAN 采用光纤通信。1.5 光纤通信的发展前景和趋势 光纤通信的容量大、传输距离长，比铜介质大成百上千倍。光纤通信的优越性已十分明显，毫无疑问光纤通信具有良好的发展前景。有人说：“光纤通信是最后一个频道”，也就是说没有别的传输介质能比光纤更好。无源光网络――光纤的损失很小，可在无源情况下传输很长的距离，于是光纤通信产生一种无源光网络（passive optical network，PON）。PON的一端只有一个端口（通常是电信局端），而另一端可有许多端口（通常是用户端）。PON 的成本比较低，是光纤通信发展的趋势。光纤到户――随着人民生活的提高和高清电视（high definition TV，HDTV）的发展，人们需要更多的带宽，铜介质AN的带宽小，不能满足要求，需要采用FTTH（也称光纤到家庭）。FTTH的成本比较高，经济发达国家开始发展FTTH，如美国和日本等，当今采用FT TH 的用户约占50 %。第2章 光纤和光缆 2.1 概述 光实际上是频率更高的电磁场。通常光的电磁场分布复杂而且混乱，光波的频率、相位均不规则，人们通常观测到的是似乎均匀的平均值。激光却不同，激光的光频率单一，光波的相位稳定。多个同频的激光混在一起会发生相位干涉，可能形成不均匀而稳定的光场，其中有亮暗不匀的光斑（如激光笔射出的光束，有时可观察到其中有若干亮点在活动），用电磁场的概念来描述，这称为激光光场的模。采用几何光学的说法，光束内有许多光线。若光束内含多个模，则称为多模；若只含1个模，则称为单模。1966年，高锟在其论文中提出：研制石英光纤可用于通信。1970年，美国康宁公司研制出的30m光纤样品，属于单模光纤，其芯直径仅8μm，只能传送单模光束。起初，由于纤芯太细，难以进行工业生产，于是发展多模光纤。多模光纤的纤芯直径比较粗，可达50μm，外直径是125μm，可大批量生产。多模光纤可传输多模光束，曾经在相当一段时间内用于建设光纤通信线路。多模光纤的带宽比较小，约1GHz，因为多个光线可经过不同长度的路径到达终点，而不能同时到达，所以易形成延迟如脉冲信号展宽。采用抛物线折射率分布，理论上可避免路径不同的延迟，但由于难以实现高精度的抛物线折射率分布，因此使多模光纤的带宽有限。单模光纤纤芯很细，只能传输单模光，所以带宽很大，可达到数THz 以上（1 THz ＝ 1000GHz）［见图2.1（b）］。单模光纤优点明显，现在大都采用单模光纤来建设光纤通信线路。2.2 光纤的制造工艺 光纤制造的第一步是制造石英的光纤预制棒；第二步是把预制棒拉成细的光纤。光纤预制棒的制造工艺有许多种。1970 年，康宁公司最早采用外部气相沉积（outside vapour deposition，OVD）法制造光纤预制棒。不久，贝尔实验室采用改良的化学气相沉积（modified chemical vapour deposition，MCVD）法制造光纤预制棒。后来，日本NTT采用气相轴向沉积（vapour axis deposition，VAD）法制造光纤预制棒。飞利浦公司采用等离子化学气相沉积（plasma chemical vapour dep-osition，PCVD）法制造光纤预制棒。当时可能为了避免涉及专利，发达国家各大公司均提出了自己的光纤工艺方法。每种方法各有其优缺点，直到现在无一种方法被淘汰。近来，许多光纤生产厂商采用混合的方法来生产光纤。下面简要介绍各种光纤预制棒制造工艺方法。
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