以灯光信号的颜色、强度、闪烁频率等来传送消息早已应用于航海、交通等领域。但自从认识到光是一种电磁波之后,以光波作为载体实现光载波通信就成了人们努力追求的目标。利用光波进行通信必须要解决两个关键问题:一是光源问题;二是光的传输媒介问题。光纤通信技术的发展进步,主要就是围绕着获得满足要求的光源以及获得理想的光传输媒介而展开的。
光源是光纤通信系统中的一个关键部件,其特性的好坏直接影响到光通信的成败与性能的优劣。作为光纤通信的光源必须满足下列条件。
1)波长应和光纤低损耗“窗口”一致,中心波长应在0.85μm、1.31μm或1.55μm附近。
2)光谱单色性要好,谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制。
3)电/光转换效率要高,在足够低的驱动电流下,有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好。
4)发射光束的方向性要好,以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。
5)调制速率要高或响应速度要快,以满足系统大容量传输的要求。
6)应能在常温下以连续波方式工作,温度稳定性好、可靠性高、寿命长。
7)体积小、重量轻、安装使用方便、价格便宜。
激光就是一种满足上述要求的理想光源。激光是物质(如红宝石、砷化镓等)受激跃迁辐射所发出的一种特殊光。这种光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度。
1960年,美国加州休斯实验室的西奥多·梅曼研制出了世界上第一台固体红宝石激光器。1961年,美国贝尔实验室佳万博士发明了氦-氢气体激光器,随后又有多种气体和液体激光器问世。但早期的激光器成本很高,可靠性和寿命有限。
1970年,美国贝尔实验室研制出在室温下连续工作的砷化镓铝半导体激光器,为光纤通信找到了一种可实用化的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器以及多量子阱激光器。光接收器件也从简单的硅光电二极管发展到量子效率达90%的雪崩光电二极管APD等。
在研究光通信光源的同时,人们进行了各种光波导的研究,其中包括光导纤维。虽然以石英玻璃为材料的光导纤维能够传输光波的原理早为人知,但一直没有解决传输损耗很大的问题(1000dB/km),所以光导纤维一直未能获得实用。
1966年,英国华裔科学家高锟博士提出了利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信的传输媒质,并预言通过降低材料的杂质含量和改进制造工艺,可使光纤损耗下降到20dB/km,甚至更低。
1970年,按照高氏理论,美国康宁玻璃有限公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损耗光纤,使人们确认光导纤维完全能胜任作为光通信的传输媒质,从而明确了光通信的发展目标。
1974年,美国贝尔实验室利用改进的化学汽相沉积法(Modified Chemical Vapor Deposi-tion,MCVD)制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。到1990年为止,光纤损耗已经降到了0.14dB/km。
至此,制约光纤通信的两个关键问题——光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。
1977年,美国芝加哥率先开通了第一条45Mbit/s的商用光纤通信系统。
从20世纪70年代至今,光纤通信给整个通信领域带来了一场革命,在短短40年不到的时间里取得了惊人的进展。通信系统的传输容量成万倍地增加,传输速度成千倍地提高。目前,国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%,国内各大城市之间都已经铺通了20GB以上的大容量光纤通信网络。
就目前光纤通信系统带宽实际利用率而言,仅是其潜在能力的2%左右,尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。光波分复用、全光网和新一代光纤制造技术的进展表明,光纤通信技术并未停滞不前,而是向着更高水平、更高阶段的方向发展。