第1章 概述
光纤通信具有远距离、大容量的信息传输能力，自 20世纪 70年代诞生后，为通信技术注入了新的活力，其技术的发展远超人们的想象，在世界信息和通信领域掀起了一场革命性的变革。从此，徘徊了几个世纪的光通信峰回路转，迎来了柳暗花明的时机。光纤通信技术主要涉及光信号的产生、光信号的导向和传输、光信号的放大、光信号的检测与处理等方面；光纤通信技术的迅猛发展，促进了信息产业的进步，推动着人类社会快速迈向信息化和智能化。目前，传输光信息的光纤 /光缆已逐渐替代传统的金属铜线电缆，构成了遍布全球、四通八达的光纤 /光缆网络，光纤通信已成为当代信息传输昀重要的一种方式。
1.1光纤通信的发展历程
人类在生活、工作中传递情感和交流认知时必须进行信息互通，即通信。近距离的信息交流可以通过手势、发声或眼神进行，较远距离的信息交流则更多的是借助我们的眼睛，通过观察完成。自古以来通信便是人们生活的一个基本需求，自然界中光无处不在，利用光来实现由一方向远处的另一方传送信息，自然成为生活中必不可少的交流互通方式。古代人们已懂得利用烟火来预警，其实质就是借助光来传递信息，这极大地延长了人们传递信息的距离。公元前 660年，古希腊人在地中海建造了世界上昀早的灯塔，公元前 281年古埃及人在法罗斯岛上修建灯塔，利用在灯塔里燃烧木柴的火焰和烟柱为进出亚历山大港的船只导航。 2800多年前我国就建造了我国历史上昀早的长距离目视通信设施——烽火台，故事“烽火戏诸侯”描述了我国古代利用烽火台狼烟进行报警的场景，该典故发生在我国西周末年 (约公元前 779年)。烽火台报警是光通信的典型案例，每一个烽火台就是一个通信的中继站，报警信息通过一个个烽火台向后传递至目的地。
目前仍然在使用的信号灯、灯塔、旗语、指挥手势等事实上都是较原始的、简单的“无线”光通信形式，且传输的信息量很小，这些目视形式的光通信在 19世纪发展到它的顶峰。因其传输的距离和传输的信息容量有限，易受到环境条件 (如雾、雨、雪等 )的干扰，加上电通信技术的出现，目视光通信在应用上受到极大的限制而逐渐衰落。
进入 19世纪以后，1837年美国人莫尔斯 (Samuel Finley Breese Morse)发明电报，用长短电脉冲组合传输文字，从此拉开了人类电通信时代的大幕。随后， 1876年英国人贝尔(Alexander Graham Bell)发明电话，用电传输了声音。 1895年俄国人波波夫 (Alexander Stepanovich Popov)和意大利人马可尼 (Guglielmo Marchese Marconi)发明无线电通信。
1924年，英国人贝尔德 (John Logie Baird)发明电视机，用电来传输图像。昀初，人类通过金属导线用电来传递信息，从有线传输到无线传输，突破了以往信息传递的常规方式，给通信领域带来了翻天覆地的变化。电通信比当时大气中的光通信更可靠，传输信息的距离更远、效率更高、更快捷，突出的信息传递优势使电通信迅速成为人类接收信息的“顺风耳”和“千里眼”，直至 20世纪 60年代，它力压以往任何一种通信工具，在通信领域占据了主导地位。即便如此，无论是无线电通信，还是已存在的击鼓、烽火或旗语等方式，想要把信息传送到远方，都需要在出发点和接收点之间通过中继站一站接一站地层层传递，直至将信息送达目的地。
随着时代的进步和社会的发展，尤其是个人计算机、智能手机和电视的普及，数据、语音和图像信息的传输与交换量与日俱增，以电通信为主导的传统通信方式已无法满足人们的需要。光波本身的频率比微波高数个量级，具有远超传统通信方式的潜在通信容量，因此，用光波作为载波进行通信的方式再次回到人们的视野。 20世纪 60年代以前，通信的方式主要还是电通信。当时的光通信是大气光通信，光波的传播路径是大气和自由空间，传送的光信号通过光电检测器接收。但大气不是理想的光传输介质，大气中的雨、雾、雪和灰尘使光信号遭遇较大的吸收和散射，导致光信号传输的稳定性和距离均受到很大程度的限制和影响。在恶劣的气象条件下，大气中的光信号仅能传播百余米，那个时代的技术水平根本无法使光通信显示出其技术优势。
光通信要克服光在大气中传输时遇到的障碍，实现远距离的信息递送，必须具有合适的光源和低损耗的传输介质。作为关键性的技术前提条件，全世界自 20世纪 50年代起，开始了集中研制理想的光源和开发低损耗光传输介质的工作。光纤通信大致经历了三个主要阶段：**阶段 (1966～1979年)是从基础研究到商业应用的开发，光纤和半导体光源研制成功，实现短波长 (850nm)低传输速率 (34Mbit/s或 45Mbit/s)多模光纤通信系统，无中继传输距离约达 10km；第二阶段 (1979～1989年)是提高信号传输速率和增大传输距离的研发推广时期，在该阶段光纤的损耗不断降低至 0.5dB/km以下，光纤通信由多模转向到单模，系统工作波长从短波 (850nm)发展到长波 (1310nm和 1550nm)，实现了工作波长为 1310nm、传输速率为 140～565Mbit/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为 50～100km，光纤传输系统和光缆线路的建设快速发展；第三阶段 (1989年至今)是以超大容量和超长传输距离为目标的技术深入研发时期，光纤数字系统由准同步数字体系(PDH)向同步数字体系 (SDH)过渡，实现了工作波长为 1550nm色散位移单模光纤通信系统，通过外调制技术使传输速率进一步提高，传输速率达 2.5～10Gbit/s，无中继传输距离达 100～150km。1987年掺铒光纤放大器 (EDFA)的诞生和使用解决了远距离光纤传输系统损耗的补偿问题，为光纤通信技术带来了巨大的飞跃，促进了光波分复用 (WDM)技术的实用化。光纤通信具体的发展从以下两个方面入手。
1. 适合光源的研发
1960年美国科学家梅曼 (Ted Maiman)发明了世界上**台激光器 (红宝石激光器 )，标志着高强度单色相干光源的时代来临。 1961年，美籍伊朗科学家阿里 (Ali Javan)发明了氦-氖气体激光器， 1962年美国工程师霍尔 (Robert Hall)研制出了脉冲半导体 (GaAs)激光器，但这台半导体激光器需要在液氮温度 (.196.C)下工作，且寿命短。至 1970年美国贝尔实验室和苏联约飞技术物理研究所的科学家分别研制出世界上**台常温下工作且连续光输出的砷化镓铝 (GaAlAs)半导体激光器，紧凑的半导体激光器为工程应用准备了适合的光源。在后续的年代里，半导体激光器的结构从同质结型、单异质结型到双异质结型和量子阱型，在输出功率不断增大、使用寿命大大延长的同时，器件尺寸不断减小，输出波长种类增多，有 850nm(GaAs，1970年)、1300nm(InGaAsP，1977年)、 1550nm(InGaAsP/InP，1979年)。目前，典型连续输出半导体激光器的输出功率从几十毫瓦到几十瓦，其工作寿命为 1.105h以上，线宽可达 1～10MHz，输出波长从红外、红光向蓝绿光、蓝光发展。
2. 低损耗光纤的发展
激光器的发明，尤其是半导体激光器的出现为使用高速调制的光信息提供了可能。由于光在大气中传播的不稳定性及受到的环境条件限制，研究者对光通信的研究一度进入低谷，迫切需要解决的问题是寻找能抗外界干扰、可全天候传送光信号的稳定可靠、低损耗的传输方式或途径。 1954年荷兰人范赫尔 (Van Heel)和英国人卡帕尼 (Narinder Kapany)分别在《自然》期刊上宣布他们各自用光纤束传输图像，而范赫尔在 1953年的工作中把一种折射率为 1.47的塑料涂在玻璃纤维上，形成带芯区和包层结构的光导纤维，这一重要的创新展示了现代光纤的雏形——可用于导光带包层的单根玻璃纤维。光纤出现的初期主要是用于传输图像，至 1960年昀好的带包层玻璃光纤的传输损耗约 1000dB/km，即进入光纤的光信号在行走了 1km后只剩下110100 ，几乎为零，如此大的光能量损耗的光纤用于传输医学图像是可以的，但无法用于信息的传输。鉴于当时光纤的巨大光损耗，几乎没有人敢相信光纤可以用于远距离通信，英籍华人高锟 (Charles Kao)博士于 1966年发表论文，从理论上证明光纤传输的巨大损耗缘于制造光纤的玻璃原料中含有杂质，正是这些杂质的吸收和散射造成了光的衰减，并*次提出将光波导应用于通信领域；只要将光纤原料提纯，除去其中的各种杂质，就能将光纤的损耗降低至实用的水平，制造出可实用的通信光纤，并且指出使用光纤的光损耗不能高于 20dB/km。由于他的这一贡献，高锟于 2009年获得了诺贝尔物理学奖。
1970年 9月，美国康宁公司 (Corning)的马瑞尔(Robert D. Maurer)等用改进的化学气相沉积法制造出阶跃低损耗单模石英光纤，光纤在 633nm工作波长处的传输损耗小于 20dB/km，英国邮政局所属研究实验室的测试证实了这一结果。这个损耗值可以与当时的铜电缆的损耗相比拟，意味着光纤的传输损耗*次降到了实用的程度，能和同轴电缆通信竞争。**根低损耗石英光纤 (理想的传输介质 )的制备成功，开启了光纤通信的大门。随后，世界各国相继投入大量人力物力进行光纤通信及相关技术的研究，工业生产的光纤的传输损耗急剧降低，在 850nm工作波长的多模光纤损耗降低到 4dB/km(Corning， 1972年)、2.5dB/km(Bell， 1973年)、1.1dB/km(Bell， 1974年)；在 1200nm工作波长的单模光纤损耗降低到 0.47dB/km(NTT， 1976年)，至 1979年单模光纤在 1550nm波长的损耗已降到 0.2dB/km(NTT)，1986年又降到 0.154dB/km，接近石英光纤昀低损耗的理论极限。与此同时，同轴电缆传输线的信号典型的传输损耗为 30～100dB/km，低损耗光纤充分体现出远距离信息传输具有的绝对优势。
人们在 20世纪 70年代终于实现了对光纤通信两大关键技术的突破，获得了高功率、小体积、窄线宽、长寿命的理想点光源，以及低损耗、稳定的光传输介质，拉开了光纤通信“元年”的大幕。有了可以高速调制的半导体激光器和低损耗光纤，光通信迎来了峰回路转的时机，光纤通信战胜了电缆通信，成为信息传输的主流技术，实现了人类信息传输能力的极大提升，由此开启了现代光通信的新时代，光纤通信技术的发展步入了快车道。
1.1.1我国光纤通信的发展历程
我国自 20世纪 70年代起就开始进行光纤通信的研究，不畏国外的技术封锁，从光纤、光纤通信系统到相应光电器件全部自力更生。虽然我国的光通信研究起步较晚，面对国外迅猛发展的光通信行业和光纤通信技术，广大科技工作者抓住时机奋起直追，主要经历了四个发展时期。在发展的初期， 1973年武汉邮电科学研究院 (WRI)开始进行光纤通信的研究，这时世界上光纤通信还未实际应用，并于 1977年拉制出我国**根光纤 (短波长阶跃型， 300dB/km)。1978年改革开放后，我国光纤通信的研发加速发展。同年，上海冶金研究所、武汉邮电科学研究院等单位研制出用于光纤通信的发光二极管 (LED)。 1976年中国工程院院士赵梓森在武汉邮电科学研究院拉制出我国**根实用型的光纤 (4dB/km)，被誉为“中国光纤之父”；同年实用化的光纤光缆在武汉邮电科学研究院批量生产，我国在北京、上海等城市建设了市内电话中继线路用的光缆通信系统实验段。在初步研究开发时期，我国在 1981年开发出光纤通信长波长光器件，于 1982年在武汉建成中国**个实用化的短波长 (850nm)光纤通信系统 (八二工程，传输速率为8.448Mbit/s，多模光纤长 13.3km)， 系统跨越武昌—汉阳—汉口，每对光纤可以传输 120
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