【光电通信】光纤通信发展概述

什么叫光通信？光通信是利用光波作为载体来传递信息的通信。广义地说，用光传递信息并不是什么新鲜事。古代的“烽火戏诸侯”、指引航海船只的信号灯塔、皮影戏甚至通过影子判断时间等都是通过光来传递相关信息。只不过因技术限制，都是一些光的比较简单的特性应用，如光速快、直线传播、四周发散等特点。

1876年，美国人贝尔（Bell）发明了光电话，他用太阳光作光源，通过透镜1把光束聚焦在送话器前的振动镜片上。人的嘴对准橡胶管前面的送话口，一发出声音，振动镜就振动而发生变形，引起光的反射系数发生变化，使光强度随话音的强弱变化，实现话音对光强度的调制。这种已调制的反射光通过透镜2变成平行光束向右边传送。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传送来的光束反射到处于焦点的硒管上，硒的电阻随光的强弱变化，使光信号变换为电流，传送到受话器，使受话器再生出声音。在这种光波系统中，光源是太阳光，接收器是硒管，传输介质是大气，这种光电话传输距离最远仅213 m，如下图所示。

无论是太阳光或是灯泡，在用于通信时都有或多或少的劣势，如频率成分多且复杂、方向发散无法聚焦、不好控制及传输、损耗较大等。1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器，之后氦-氖（He-Ne）气体激光器、二氧化碳（CO2）激光器也先后出现，并投入实际应用，给光通信带来了新的希望。激光（LASER）其实是一个合成词，取英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一个字母组成，意思是受激发射的光放大（关于光的受激辐射概念及原理，公众号后续会陆续撰写相关文章详细阐述介绍）。受激发射的激光频率成分更加单一、方向性好、光束发散角小，几乎是一束平行光，所以激光器的问世极大推动了光通信的发展。

光纤通信中光源问题已经解决，光源发出的光如何传递问题随即摆在人们面前。像古代时期的“烽火”、灯光、太阳光等均是直接依靠空气传输，这种光信号传输方式能传递的信息太少太单一，显然不能满足各种场景的通信需要。且大气（空间）传输容易受到天气、地形等影响，透镜波导传输又容易受外界影响产生变形和振动，由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，所以光通信的研究曾一度走入低潮。1930年，有人拉出了石英细丝，人们就把它称为光导纤维，简称光纤或光波导，并论述了它的传光原理。当光线传输到芯和皮的交界面上时，会发生类似镜子反射光的现象，又一次反射回来。当光线传输到光纤的拐弯处时，来回反射的次数就会增多，只要弯曲不是太厉害，光线就不会跑出光纤。光线就是这样在光纤内往返曲折地向前传输。

石英玻璃丝——光导纤维能够通光很早就被人发现，但问题并没有这么简单，人们发现，用光纤作传输介质，损耗太大。每千米就有3000dB，记作3000dB/km。这样的光纤，当光通过100 m后，它的能量就只剩下了百亿分之一了。所以，要想用光纤进行通信的关键问题是如何降低光纤的损耗。1966年7月，英籍华人高锟发表了具有历史意义的关于通信传输新介质的论文（Kao K C,Hockhem G A. Dielectric-fiber surfacewaveguide for optical frequency. Proc. Inst. Electr.Eng.,1966,113（7）:1151）。文章指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。他指出：这么大的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由材料中的杂质离子的吸收产生的，如果把材料中金属离子含量的比重降低到10^-6以下，光纤损耗就可以减小到10dB/km，再通过改进制造工艺，提高材料的均匀性，可进一步把光纤的损耗减小到几dB/km。这种想法很快就变成了现实，1970年，光纤进展取得了重大突破，美国康宁（Corning）公司成功研制损耗为20dB/km的石英光纤。目前，超低损耗单模光纤在1550nm波长附近的损耗仅为0.149dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限。光通信发展历史如下图所示。

a）大气传输光通信 b）透镜波导 c）反射镜波导 d）现代光纤

在光纤损耗降低的同时，作为光纤通信用的光源，半导体激光器也出现了，并取得了实质性的进展。1970年，美国贝尔实验室和日本NEC先后成功研制出室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器。低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的研制成功，是光纤通信发展的重要里程碑。

20世纪90年代，掺铒光纤放大器（Erbium-Doped FiberAmplifier,EDFA）的应用迅速得到了普及，用它可替代光-电-光再生中继器，同时可对多个1.55μm波段的光信号进行放大，从而使波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）系统得到普及。光通信发展的简史如下表所示。