030320光纤通信进展-李淳飞-第1章

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　　李淳飞，　男　，1961年毕业于哈尔滨工业大学，现任哈尔滨工业大学现代光学研究所所长，教授。李淳飞教授是国家首届863计划信息领域专家委员会委员，中国光学学会理事，美国光学学会和光学工程学会会员。它的主要研究方向是非线性光学和光子技术，特别是广泛应用于光通信、光计算和光传感中的光开关器件，长期参加国际科研合作和学术交流，在国际学术界享有较高声誉。

　　进入新世纪，李淳飞教授在哈尔滨工业大学开辟了光通信网络器件与系统研究的新方向，取得多项创新性研究成果。

　　内容简介

　　现代的工业是以信息技术为先导，也是最大的产业。20世纪下半年，信息技术发展很快，在我们的生活和生产当中，起到一个关键作用。大家都知道互联网是很重要的，我们可以通过互联网来传递各种各样的信息，可以进行信息处理，甚至于在我们的生活当中也广泛应用。但是现在的电子互联网它的速度不够快，我们常常感到上网有困难。为了改变电子互联网系统速度慢、信息量少等缺点，科学家门研制出了光纤通信互联网系统。光纤通信具有传输速度快、传递信息量大和保密性强等优势。过去的电子互联网就相当于一个羊肠小道，而这个光纤互联网就像是一个宽带的信息的高速公路。

　　中国光通信的发展非常迅速，20世纪80年代上海首先铺设了一条1。8公里的数字光通信线路。20世纪80年代国家投资武汉邮电研究院，研制光纤器件。1995年到1998年，上海交大完成了九五项目，四个节点的全光城域网、实验网。20世纪90年代起，全国各地都普遍铺设和使用单路的光纤通信线路，现在是一直到农村，我们都可以看到光纤线路。2000年底中国网通公司建成了3400公里的波分复用的光纤通信网，2001年完成了863项目，中国高速示范网。2000年，国家自然科学基金资助了一个项目，中国高速互联研究实验网。目前，光纤通信系统已经进入到我国广大的城市和乡村，为人民生活和经济发展提供了便捷服务。哈尔滨工业大学教授李淳飞通过对光发射、光接受、光放大等技术的研究，向我们描述了利用互联网传递邮件、查找资料、收看电视、打电话的多功能前景。

　　全文

　　今天我讲的题目是《光纤通信进展》。主要讲的内容，首先谈一谈光纤通信发展的历史，然后我们再介绍光纤通信一些关键技术，包括光纤及其特性，光纤通信系统，还有光纤通信器件。我偏重于光纤通信器件，最后我们给个结论。

　　我们先谈光纤通信是怎么发展起来的。我们都知道，现代的工业是以信息技术为先导，也是最大的产业。20世纪下半年，信息技术发展很快，在我们的生活，我们的生产当中，起到一个关键作用。20世纪的信息技术，是有什么样的特点呢？它是以微电子学为基础，微电子学的发展，促进了信息技术的发展，它的关键技术是晶体管等电子器件。晶体管大家都知道是PN结形成的，有了晶体管以后，就有了开关，有了放大，有了调制各种各样的器件。把这些器件和这些元件集成在一起，就成为集成电路。我们电子计算机的芯片，就是集成电路组成的，集成电路做得越来越小，所以我们的计算机也就变得越来越小，而且速度越来越快。

　　同时，电子通信也得到很大的发展，电子通信和电子计算机结合起来，就成了我们今天的电子互联网。大家都知道互联网是很重要的，我们可以通过互联网来传递各种各样的信息，可以进行信息处理，甚至于在我们的生活当中也广泛应用。但是现在的电子互联网它的速度不够快，我们常常感到上网有困难，所以要进一步发展通信网。到了21世纪，据我的理解，我的了解，光电子学将要有很大的发展。这是什么意思呢？就是把光子器件和电子器件放在一起，来组成一个光电子学的关键技术。这个技术呢，就是异质结结构和器件和光电子集成。异质结结构，就是PN结，大家都知道，就是N形P形半导体中间形成一个PN结。现在我们光电子器件，是采取不同的材料，做P形的或者N形的，所以叫异质结的结构器件。有了这个器件，我们就可以设计产生激光二极管，这就是作为光纤通信的光源。另外我们可以做砷化镓的快速开关器件，这样我们就可以做高速的计算机。将来的计算机我估计也会把光纤的技术放进去，就是光电混合的，我们就要做光子和电子器件的混合集成，所以叫光电子集成。有了这两个关键技术，我们就可以发展光纤通信和高速计算机，然后我们可以实现高速的光纤互联网，宽带的，就像是高速公路一样，有很多条线路，同时来可以开车，可以不受到阻拦。过去呢，电子互联网就相当于一个羊肠小道，而这个光纤互联网就像是一个信息的高速公路。

　　由于在现代信息技术当中，一些科学家们，做了很大的贡献，所以2000年诺贝尔奖物理学奖就奖给了现代光学技术的奠基者。把这个奖分成两半，一部分就授予发明半导体异质结构的两位专家，一个是俄罗斯约飞物理技术研究所的所长，Alferov；另外一位是美国加州大学UCSB分校的教授叫Kroemer，这是一部分，另外一半是奖给了集成电路的发明者，也是美国德克萨斯仪器公司的发明家，Kilby，这说明我们物理学界也非常重视现代技术的现代信息技术的发展。

　　现在我们看一看，国际光纤通信发展的里程碑，大概前后只有四十多年。1955年，英国科学家卡帕尼，发明了玻璃光导纤维。1960年华人高锟等人，他们首先提出了用低吸收的光纤做光通信，高锟我们称他为光纤之父，他是原来香港中文大学的校长。在1970年，光纤通信有很大的发展，建立一个很强的基础，一方面是传导光波的光纤，这个美国的柯林公司已经做出了每公里20分贝的低损耗。另外一方面，光源是很重要的，贝尔实验室研制成功室稳连续运转的半导体激光器，这两个一结合，光纤通信就有了基础。所以七　八年以后，美国在芝加哥市首先开辟了第一条光纤通信线路，再过10年左右，1。55微米波长的光纤损耗率它低到0。2个分贝每公里，这就是有两个数量级的降低它的损耗，这样就可以传输很远。在同年，这是英国的南安普敦大学，他们发明了掺铒光纤放大器。这样的话，就不需要把光信号变成电进行放大，然后再输送出去，再转成光信号，不用光　电　光的转换，而是直接用光来放大。

　　这样光纤通信就有很大的发展了，有很多好消息出来。1989年美国首次进行了波分复用的光通信实验，是四个频道的，四个通道。因为过去的光纤通信，只是一根光纤通一个光波的载波，从此以后，就可以一根光纤通很多条光的通道。1998年，美国实现了密集波分复用的长途光通信，它的传输速率达到每秒一个太比特，所以我们叫太比特。我们就进入了这样一个高速的时代，太比特的时代。

　　中国光通信的历史是怎么样的呢？20世纪80年代我们在上海首先铺设了一条1。8公里的数字光通信线路。20世纪80年代投资了武汉邮电研究院，研制光纤的器件和光纤本身，现在也成为光纤器件的一个最大的研究单位。1995年到1998年，上海交大完成了九五项目，四个节点的全光城域网、实验网。20世纪90年代起，全国各地都普遍铺设和使用单路的光纤通信线路，现在是一直到农村，我们都可以看到光纤线路。2000年底中国网通公司建成了3400公里的波分复用的光纤通信网，2001年完成了863项目，中国高速示范网，2000年，国家自然科学基金资助了一个项目，中国高速互联研究实验网。现在，我们国内有很多的公司可以批量生产光纤通信的系统和器件。中国网通公司波分复用网络是这样的，它是利用了铁道部的单根光纤进行波分复用。从深圳经过上海，一直到北京，然后呢，武汉再回到广州。中间还有合肥和南昌，一共跨越了6个省市。它的容量是怎么样的呢？它是2。5Gb/S，单路的光纤，单路的速率，然后乘上16路，有16路并行处理，这样我们就可以达到每秒400Gb速率，2000年底，通信已经开通运行。

　　我们现在回顾一下，光纤通信发展的情况，技术上的情况，另外它发展的趋势。首先我们从数字通信开始，就是用脉冲编码，数字通信，开始是用的时分复用。时分复用就是在时间上，把光的信号分段传送，先后不同。开始是发展一次群，二次群三次群四次群，这都是指的速率，最高到了140M比特，这个是用的准同步数字系列。以后又有新的进展和技术上的进步，这样的话，可以使得传输的速率大大加快，从155M比特，一直到2。5G比特，还有10每秒GB。现在，单路的通信一般都是用2。5GB每秒，也可以达到10GB。但是再高就困难了，因为无论是电子的还是光子的，这些器件速度上不去，已经碰上了瓶颈了。所以怎么进一发展呢！我们就采取另外一条路，就是科学家们研究的结果，认为可以用不同的频率放在一个通道里边。这就叫波分复用单纤多通道，从4个通道，8个通道，16个通道，32个通道，一直到上百个通道。光纤通信发展的趋势是这样的，光纤传输这是没问题，解决了一个光的传输，就是信号的载波是光，而不是电了。这个已经解决了，下边还要向光交换，向交换这个问题上去努力。现在还是电子的交换就是打电话要有一个交换器啊还是电子的。现在正在研究光的交换器，这样就逐渐逐渐地变成全光化，充分发挥这个光的优点。还有一个趋势呢！现在我们知道计算机联网，有个数据网，另外我们打电话有个通信网，我们看电视有线电视网。这三个网将来都会把它合在一起，三网合一，这样的话我们有很大的方便了，光纤就很容易到户了。我们只要一根光纤既可以打电话，可以看电视，可以送E—mail，所有的对外的联系一根光纤解决问题，这就是光纤到户了。当然现在还没有实现，光纤网络在21世纪的战略地位是怎么样的呢？有一个日本专家做了一个预测，就是世界经济当中，行业基础设施排名这里有工业园区港口，高速公路，国际机场，光网络，从这个图可以看到，光网络将来会是最大的投资，最大的效益，最大规模的基础设施。

　　现在我们介绍第二个问题，光纤通信技术简介，首先谈谈光纤本身，这就是光纤的一个简单的示意图。中间两层都是硅材料，但是它们的折射率不同，中间的高一点，旁边的稍微低一点。用掺杂的办法来调整这个折射率，外边有塑料，有机材料的包覆层。我们看看光纤怎么分类，一个是按照折射率分类，折射率的分布，这个叫做阶跃折射率光纤，它是N1N2是两个不同的折射率，中间高旁边低，这样才能实现全反射，所以光波在里边是这样的反射。后来进一步发展，我们生产了一种叫做渐变折射率光纤，它的中间的折射率是渐变的，这样光波在里边是这样的传播。第二种分类就是按照模式分类，就是单模光纤和多模光纤，多模就是有很多模，光传输的光波的模式。单模就只有一个模，单模的很细只有2到12个微米量级。它的折射率就是相对两种折射率的相对比呢，是比较小一点，多模光纤折射率比比较大一点，它的芯径比较粗，50到500个微米，如果按照用途来分的话，我们可以看到在市场上可以买到各种不同的光纤，有保偏光纤，就是保持偏振态不变，就是光的偏振态不变；另外就是可以避光色散，希望它不要色散，是零色散的光纤，所谓零色散的光纤。以后呢，就是我们又采用了波分复用，就要用1。55微米的这个光纤，这个就叫色散位移光纤，它在1。55微米这个地方没有色散；另外我们还可以制造出在1。3微米到1。55微米之间都是有很平坦的色散特性的这样的光纤，我们叫做色散平坦光纤。

　　我们先来谈吸收，光纤的吸收。大家知道光纤虽然石英透射率很高，但是它还存在着吸收，所以影响了我们传输的距离，吸收越小，传输就越远，放大器可以越少。这是一根实际测量到的一个光纤吸收的曲线，这个纵坐标是吸收，横坐标是波长。那么我们怎么会形成这样一个曲线的呢？这是因为在光纤里边有杂质，这些杂质造成了紫外的吸收和红外的吸收。另外还有它是一个波导器件，也有缺陷，另外就是瑞利散射分子的瑞利散射，也可以产生吸收。所以，在这些缺陷的包罗下，就得到了这样一条曲线。这个曲线有几个低的窗口，这里可以看到，这是低吸收的窗口，但是这里有一个吸收峰。我们看下面的图比较清楚，这是经过改进以后的一个光纤的吸收特性曲线。这个峰很不好，它是由于OH根，有人叫水根这样一种杂质在里边造成了一个吸收。其他有几个吸收的谷，就是吸收的窗口。所以，现在科学家们正在研究所谓全波光纤，就是它的带宽可以达到400纳米，从1250纳米到1650纳米这么宽都是低吸收的，就把这个峰啊给它砍掉，现在已经做到了，但是市场上还很少。

　　下面我们讲光纤的色散。色散有几个分类，如果是光源，由于光源不是很纯，再加上光的调制过程当中要使带宽展宽，所以这样的话就造成了波长色散。对于多模光纤来说，由于模式很多，它们模式之间速度也不一样，所以就是模式色散就产生了。单模光纤本身也是有色散的，它的色散是由于材料本身有色散，另外这个波导结构，一个高折射的，一个低折射的，形成的一个柱形的波导，它的结构也不一定是很完善，本身它也产生色散。

　　另外，光纤本身它的形状可能不对称，不会做得非常圆。另外，它有的时候要受到硬力，受到外界的磁场的干扰，这些因素就产生了双折射现象，就是两个偏振的方向相互垂直的模。它们传播的速度不一样，这就是双折射。这样就引起了偏振色散，所以色散可以分成这样几类。

　　我们从这张图上可以看到，这边是纵坐标是色散，横坐标是波长。对于过去那个常规光纤，就是1。31微米这个附近的这个波长的光纤我们开始把它零色散点设在1。31微米，这个叫做常规光纤。它的色散曲线是这样的，随着波长而变。以后我们发展了色散位移光纤，就是把它的零色散点，放在1。55微米这个地方，那么这样的光纤特性是这样的，在1。55微米附近我们都可以用这样的光纤，因为色散比较小。

　　下面我们介绍光纤通信系统，我们先从单路的光纤通信开始，最早的光纤通信是光电混合的，它要把光信号由电来调制，调制我们这个发光二极管，或者是激光器，就是半导体激光器。使它发出的信号除了载波之外，还有一个被调制的信号在上面，把这个光波送到光纤里去传输。大概过了100公里左右，就需要加一个放大器，这个放大器在过去是电子的，要把光信号变成电信号进行放大、整形，我们叫中继器，然后由它再转成光信号发射出去。这边有个接受器，主要是有一个光电探测器，能够把光信号变成电信号，然后解开信号的载波，载波的信号。所以这个是光电光中继的，这样的一种数字通信系统。后来我们发展了光放大器，这是一个很重要的发明，这样就不需要经过电了，就是光　光　光的传输，这是单信道的光中继器