第1章 绪论

1.1 光纤通信发展概述

光纤通信是一种利用光和光纤传递信息的方式，其用光波承载信息、用光纤作为传输介质。20世纪70年代末，光纤通信系统开始登上历史的舞台，渐渐代替了使用铜缆作为传输介质的传统通信系统。自从1977年光纤传输系统被首次提出后，光纤通信技术一直以来的追求与目标就是更大的信息传输容量和更长的信息传输距离[1-4]。随着技术的发展，光纤通信系统的传输距离已经从几千千米逐渐增加到了上万千米，在商用光纤通信系统中，单根光纤的传输容量也已经从45 Mbit/s增加到8.8 Tbit/s。同时，光纤通信系统的发展必然离不开各种器件、子系统和系统技术的一系列重大突破。光纤通信系统的发展趋势[5]如图1-1所示。

图1-1 光纤通信系统发展趋势

20世纪70年代末，第一代商用光纤通信系统出现，器件上使用了0.8μm的砷化镓半导体激光器和多模光纤（Multi-Mode Fiber，MMF）。其传输容量仅有45 Mbit/s，并且传输距离很短，每隔10km就需要放置一个放大器。随着磷砷化镓铟半导体激光器/探测器的突破与制造，以及攻克了单模光纤制造的技术难题，第二代光纤通信系统应运而生。单模光纤衰减更低且色散更小，通信波长为1.3μm。1981年，YAMADA等在44km的单模光纤中实现信号的传输速率达到2 Gbit/s[6]。但是，单模光纤在波长1.3μm处的传输损耗（0.5dB/km）限制了第二代光纤通信系统的传输距离。为此，1979年，研究人员成功研制出工作在1.55μm波长处损耗为0.2dB/km的具有更低传输损耗的单模光纤[7]。

然而，当工作波长为1.55μm时，色散对系统的信号传输带来的影响也是一个不可忽视的重要问题。因此，第三代光纤通信系统针对色散对信号的传输带来的影响，提出了两种解决方案：① 使用色散位移光纤使1.55μm附近波长的色散尽可能小；② 通过使用单纵模分布反馈（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器降低频谱宽度。1985年，GNAUCK等在距离为100km的单模光纤中使信号的传输速率达到了4 Gbit/s[8]。1990年，商用第三代光纤通信系统中继器间的距离已经增加到60～70km，达到了2.5 Gbit/s的工作速率，最高可以达到10 Gbit/s的信号传输[9]。

为了使传输距离更长更远，并降低光-电-光中继器的成本，在20世纪80年代末，相干光传输技术被提出，其在光纤通信系统中有很大的应用前景[10]。但是，1989年出现的掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）更引起了研究人员的兴趣。

在第四代光纤通信系统中，全光放大器以及波分复用技术得以应用。全光放大器的使用使光纤链路中光-电-光中继器之间的间隔距离更长，波分复用（Wavelength-Division Multiplexing，WDM）技术的应用提高了光纤通信系统的总传输容量。波分复用技术和掺铒光纤放大器技术的结合为光纤通信带来了巨大变革[11-12]。从20世纪90年代末至21世纪初，陆陆续续提出了许多提升光纤通信系统容量的方案。

在波分复用系统中为容纳更多的信道，提升系统容量，有两种方式：① 可以通过降低波长间隔提高频谱利用率，② 开发带宽更大的放大器以获得更多频谱资源。此外，加大波分复用信号中每个波长信道数据速率也能达到系统容量提升的目的。值得注意的是，提高波长信道数据速率的同时，光纤通信系统需要性能更好的光器件以及更严格的控制[13]。2000年，研究人员实验展示了使用信号速率为40 Gbit/s的82个波长信道，传输距离达到了3km的波分复用光纤通信系统，其总的传输速率达到3.28 Tbit/s。至2000年年底，通过实验实现的波分复用传输系统容量大幅度提升，可以达到11 Tbit/s[14]。

然而，光纤系统的容量并不是无穷大的，数十年前的信息理论研究所预测的传输极限已经在现阶段逐步靠近[15]。截至2016年，通过时分、波分、偏分复用以及其有机融合，结合支持自由调制选取的网络结构，光纤的传输能力已达到每纤100 Tbit/s，而这一数字正在不断逼近传输速率的香农极限[16]。因此，只有通过探索新的维度，才有可能进一步提高光纤通信系统的传输能力。