光电子技术及其应用
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第3章 光纤通信技术

3.1 概述

1880年,贝尔发明了第一个光电话,其原理是:将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上,随声音的振动而得到强弱变化的反射光束。这一大胆的尝试,可以说是现代光通信的开端。贝尔光电话和烽火报警一样,都是利用大气作为光通道,光波传播易受气候的影响,在大雾天气,它的可见度距离很短,遇到下雨下雪天也有影响。

光纤出现在1966年,英籍华人高锟(K.C.Kao)博士,当时工作于英国标准电信研究所,他发现了光在石英玻璃纤维中传输产生严重损耗的原因,当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/km。1970年,美国康宁(Corning)公司首先研制成衰减为20dB/km的光纤,使光纤通信的实用化成为可能,自此掀起了世界范围内的光纤通信研究热潮。1980年,光纤衰减降低到0.2dB/km,接近理论值。

光纤通信是一种利用光导纤维为介质传输载有信息的光波进行通信的系统。它的发展是以1960年美国人Maiman发明的红宝石激光器和1966年英籍华人高锟提出利用SiO2石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础的。光纤通信的发展,和与之相关的关键元器件的发展是紧密相连的,除作为传输介质的光纤之外,光源和光电探测器也是光纤通信系统中的关键元器件。光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到半导体激光器的进步。

在20世纪60年代,半导体材料和工艺技术得到了迅速的发展,PN结光电二极管、Si-PIN光电二极管以及Si-APD(硅雪崩光电二极管)的制作工艺水平已相当成熟,完全可以用作光纤通信系统中的光电探测器。然而作为光纤通信系统光源的半导体激光器,是除光纤以外阻碍光纤通信发展的另一个大障碍。直到20世纪70年代末,研制出了工作寿命在百万小时以上、室温下能连续运转工作的半导体激光器,光纤通信才完全走上实用化、商业化的轨道。目前,半导体激光器不仅可以在室温下工作,而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更高,逐渐满足了高效率、高速率、低噪声、大功率、长寿命等要求。光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题,其结果是增加了光纤系统的通信容量。光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。

半导体激光器具有调制速度高、谱线窄、强度高的特点,因此特别适合于在长距离光纤通信系统中使用。然而对于中、短距离的光纤通信系统,半导体发光二极管则是一种很好的选择,半导体发光二极管的最大优点是寿命长、价格低、线性好。在光纤通信系统中究竟使用哪种光源,要根据系统的综合技术指标来考虑,以获得最佳的性能/价格比。

20世纪90年代初,光放大器的问世引起了光纤通信技术的重大变革,这在光通信史上具有里程碑的意义。光放大器节省了光电变换的中继过程,而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大,从而诞生了采用波分复用(WDM)技术的新一代光纤系统商用化。

光纤通信最初的工作波段是在0.85μm附近,后来发现在1.3μm附近,光纤的损耗和色散都很低,特别是在1.32μm附近,是光纤的零色散点;而在1.55μm附近,是光纤的最低损耗点。因此,光纤通信自然而然地向1.3~1.55μm的长波长方向发展。同时,这也促进和推动光源和光电探测器向该波段的长波长方向发展。

另外,各种光纤放大器的研制成功,以及光纤损耗的不断降低,使光中继距离不断延长,更进一步促进了光纤通信的快速发展。

目前普遍使用的光纤通信系统,是如图3-1所示的数字编码、强度调制的直接检波通信系统。所谓强度调制,是指在发射端用信号直接去调制光源的光强,使之随信号电流呈线性变化;直接检波是指信号直接在接收机上检测为电信号。图3-1光纤通信系统示意方框图中电端机完成电信号的收、发和相应的处理。光发送端机将电信号变换成光信号,它通常采用半导体激光器(LD)或半导体发光二极管(LED)作为光源;光接收端机的功能是将光信号变换成电信号,它通常采用的光探测器是各类光电二极管;光缆完成发送端光信号至光接收端机的传输。

图3-1 光纤通信系统示意方框图

由于光载波的频率可达105~106GHz,约为微波载频的10000倍,所以光通信的容量非常大,具有非常诱人的发展前景。