光纤通信的现状及发展文档格式.docx
《光纤通信的现状及发展文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信的现状及发展文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
中国那时很强大，就是中国在农业革命技术领先，发明创造非常多，如水稻、茶叶、蚕丝。
英国在工业革命方面的发明创造非常多，蒸汽机、火车、汽车、轮船，这些都是英国人发明的。
信息革命开始你可以看到大多数都来自美国，电报、电话，然后是各种各样计算机、半导体、集成电路，都是在美国那里发明的，因此他现在耀武扬威，因为他掌握最新的技术。
很高兴1966年光纤就开始重新有我们中国人的名字。
他后来到香港中文大学当校长，高琨博士已退休，现在香港一个网络公司任顾问，他也是北邮的名誉教授，常到北邮讲学。
他提出，如果光纤做的好，20db／KM是能够实现的。
这个设想用了四年时间，康宁公司就做出来了，20db／KM，现在就更不得了了，衰减很小很小，到1978年一共用了12年的时间，美国就真的使用了，光纤的通信系统就实现了。
80年代就用单模光纤，80年代后期1.5微米的色散位移光纤就有了，1988年SDH的标准就出来了，1987年英国南普林斯大学发明了光纤放大器，我自己很荣幸参加了这个工作，在南普林斯大学工作了五年，参加了激光器和放大器的发明过程，到90年代中期就开始利用光纤放大器来建造WDM的系统。
美国的AT&
T投入了历史上最大的一笔钱，投资改造美国所有的光通信网络，WDM就是波分复用技术，光纤传输系统的发展，从此就可以使用了。
1970年美国corning公司研制成功了20db/km光纤。
图
（1）大容量光传输系统的发展
图里面看得非常清楚，以前都是电的，叫时分复用，速率一点一点高起来，从140、400、810、1.6G、2.4G、10G这样起来的，而90年代使用的光通信系统走了另一条更快的速度，就是用了WDM波分复用系统，目前我们很容易做到6.4KG／bit这样一个速率。
海底光缆我们用的是比较低速率的280，比如在太平洋海底80年代用的是280兆，到了90年代，自从有了WDM系统，光放大的系统以后，我们可以在这个已经投入使用的每一个波长用的是10G／bit,用了16个波长,在光缆里面用了四根光纤。
现在从中国打电话到美国，一接就通，就是容量够了，在太平洋、大西洋海底，光缆的容量已经足够，连接两个大陆的通信容量，但是在80年代打电话有时老打不通，就是因为容量不够。
如果我们比一下，从280兆到现在乘16再乘4，这是千万倍的增长。
我们研究光通信几十年，实际就研究三个问题，一个是衰减的问题，就是光信号进来的时候大，慢慢就小了，就是有吸收的、有散射的，有缺陷，把光跑掉了，这是要研究的第一个问题，目前还在研究，就是让它衰减越小越好；
第二个就是色散，进来的很好的很规矩的波形，光的脉冲，到出来的时候就展宽了；
第三个，进来光的波长频率还是很纯的，但是传输以后就出来别的频率了，这个别的频率如果可以滤掉一个频率那也罢了，不影响通信，问题是这个频率产生是这两个频率混合的结果，我们担心的是在接收的时候有别的频率进来就串话了，我们把这个叫非线性。
因为我们在大学物理、中学物理里面讲光的特性时没有这个非线性，绿的光和红的光是不相干的。
但是在光纤里如果越来越长，让两个频率差不多的光一起走的时间很长而且功率很大——因为我们现在用的是单模光纤，光的能量很集中，在这时产生的效应叫光的非线性效应，他们会在光之间有混合，我们在光学里面叫四波混频。
这些都是光学研究的问题，一般的大学物理就不谈，但是我们光通信现在就碰到这样的问题，所以我们研究的是三个问题，一直到现在也是这三个问题。
解决了这三个问题，光通信就更发展，容量就更增加。
当我们刚开始研究光通信的时候，我是第一拨研究生，跟着叶培大教授，我们研究的波长是0.85微米，在这个位置上，它的衰减很大，但是我们发现，有一个地方衰减就比较小是1.3微米，这是我们第二个窗口，这是80年代用的窗口，我们还发现1.5微米时衰减更小，小到0.2db／KM以下，高琨博士讲20db／KM，现在是0.2db／KM，100倍。
他是科学家，提出的是一个方向，工程师们把这个衰减越做越小，我们现在可达到的水平是0.2db/KM以下，我们在这个区域工作。
光纤放大器的功劳就在于，我有一个放大器，只要你落在这些位置的波长，我都可以给你同时放大，因此你可以波长复用，波分复用就在这里，你只要每一个信道用的是在这里的红的里面一个一个的波长，是分隔的，经过这个放大器时所有的频道我都给你放大。
因此我们在做光通信的时候，不仅仅是一个波长，而是这么多波长一起放大，是在一个单模光纤里面走，这个贡献人们称它为革命性的贡献。
而且现在我们全国的很多线路都采用了WDM的技术，美国全国的线路已经全部改造成WDM的技术。
图
（2）光纤中的色散
（衰耗，所有光钎类型，标准单模光纤，非零色散位移光纤，淘汰1385nm波峰，色散位移光纤）
色散的图形我们用了这样一个图来介绍，就是标准的单模光纤的色散，0色散点就是1.3微米的第二个窗口，色散是最小，也就是一个脉冲走到远端的时候，它的形状保持的最好，如果你用不同的波长，它就会变成一个具备-10皮秒／纳米／公里的色散，因此一个脉冲到了那头可能变成这么宽的脉冲，这样一来，就减少你的通信容量。
80年代有一个课题，研究生做的，教授关心的，就是把这根线（红线）能不能挪到这边来，因为我们想用1.55这个波长来做光通信，但是如果1.55做光通信的话，色散在这个位置上，将近20皮秒，我们希望把这根红线挪成这根紫线，所以这根光纤我们叫做色散位移光纤，就是把色散从0点挪到了1.55，叫做DSF，在埋设光缆的时候就是要考虑这一点。
由于光纤放大器的发明与波分复用技术的采用，因此又出现一个问题，如果色散真是0点的话，那么四波混频产生的非线性效应就非常强，所以整个概念上我们又有一个研究题目，就是色散不能失灵，就好像两个人走路一样快，老讲话，你们的思想交流，就慢慢影响，如果走的有快有的话，你们的影响就比较少。
因此90年代就出来一个研究题目，叫做非0的色散位移光纤，大家觉得用这样的光纤，非线性效应可以抑制一定的程度，而色散并不很大，这是最好的一种方式，因此国际标准就出来了。
如果你真的要用波分复用系统的话，最好用这种光纤。
用绿线代表色散的光纤，红的这根虚线是衰减的损耗曲线，1.3微米的地方有一个比较好的点色散比较小，1.5的地方也有比较小的色散。
当年高琨博士60年代研究的问题就是这个峰是谁吸收的？
怎么出来一个衰减呢？
是氢氧根离子吸收的。
他那里有一个振动的谱，就是吸收这个光，取得这个能量。
现在没有水的叫做零氢氧根的，光纤也在研究当中，级别上能够研究成的话，我们就可以用波分复用的一个范围。
一根光纤里可以送的光谱很多，所以有人说，光纤传输的带宽是无限的。
虽然有的夸张，但是是真的，真的是有无穷大的容量。
也有人说传送是不要钱的，埋了一根光纤你就随便用，从1.3到1.6所有的波长都可以用。
如有一个放大器把你的波长都可以放大的话，在一根小小的光纤里它可以容纳的光的频率是多得不得了，所以说带宽是无限大的，传输是不花钱的。
电信公司怎么赚钱呢？
后面要讲到，网络利用时要有新的办法，要把波长租给别人。
总结一下光通信是怎么进步过来的。
光源：
发光二极管频谱比较快，色散会比较大，到激光器（雷泽激光器）到半导体激光器然后到单频激光器，这里还有多个模式的，再发展到现在可以调的激光器，因为我们要波分复用，在这个波长上，如果这个信道从乌鲁木齐到西安，用了五个波长，但是到兰州我停下来一个波长，从兰州到西安要上一个信道的话，激光器是换呢还是用可调的方法让它的频率动一动？
我们现在采用的方法是叫频率（光波长）动一动，这个信道我可以用别的方法控制另一个信道，这叫可调的半导体激光器。
现在这是一个大的题目，也有进展。
光纤：
光纤是从多模光纤到单模的光纤，单模的光纤没有色散，色散很小，使得容量增加的很大，到色散位移光纤，从1.3的窗口挪到1.5的时候，色散必须位移，这个光纤是在80年代解决的问题，到90年代我们用波分复用的时候，不需要0色散而是非0色散，非0色散光纤是90年代的光纤。
后来又有一种光纤，简单讲一下，如果1.3已经埋在地下了，我想新疆大部分是1.3的光纤，但是我要用波分复用的系统，改进这个光缆，把这个光缆全部拆掉，又有一种新的光纤不用拆，我给你一个色散补偿光纤，你用1.3是有色散，我用1.5的波长有色散，但是信号到达终端时，我给你补偿回来，原来是正色散的我给你负色散，因此又发明了色散补偿光纤。
这种色散补偿光纤在哪里用的，当你要用原来的1.3微米光缆系统，把它改进为1.56微米的光的波分复用系统的时候，我们再在后面使它再把这个光纤色散补偿过来，因此我们原来的一个光缆就可以用一个新的波分复用网络，我们需要改进的就是加色散补偿光纤。
波长：
光通信的进步是从0.85微米到1.3微米，再到1.55微米，再进展到WDM1.55微米附近的这个波分复用系统。
将来还要向长波和短波长的波段继续拓展。
速率：
我们的速率从几兆（第一个光通信系统是8兆，两个电话局之间），现在是千兆，G、T，提升了百万倍，甚至于更高，10G、100G才是我们的目标，兆到千兆再到千千兆，这样一个速率是一个进步。
调制：
非归0码的调制，将来和现在已经开始转到归0的内调制，逐渐变到外调制。
也就是激光器给我发脉冲就行了，至于脉冲怎么走，我有一个信号来调制它，我是在外头调制。
目前大部分光通信系统都是内调制的，给你一个电流你就给我光，没有光就没有功率。
将来发展的过程是要归0，然后是外调制。
应用：
更可以理解了，我们从语音的应用，电话、到IP应用到多媒体应用，光通信是从主干线逐渐向下面推广，接入网光通信用的也越来越多，当然移动和无线是一个很活跃的领域，光通信有没有可能到用户家里。
二、光通信复用技术.
下面介绍一下WDM波分复用技术。
我们在讲复用的时候，一根光纤里面，用各种各样的技术使得光通信的容量越来越大，其实就是复用，波长复用是指一根光纤里面走很多很多的波长，每一根波长到了那头把它分开就行了。
这在高中物理里就知道怎么分开了。
三百年前，牛顿就知道，赤橙黄绿青蓝紫，用一个三角形棱镜就行了，就分开了。
现在道理完全一样，很多光进来了，一个一个不相干的，大家走大家的路，到那边只要分开就行了。
一分开，不同的路就采纳不同的信息，这时走的是一根光纤，这就是波分复用的一个概念。
但是问题在于我们以前的系统，光的和电的中继系统，必须把光的信号变成电的信号，电信号再整形、定时、再放大，然后再变成光信号，它走不远，没法放大，这个过程当中波分复用给卡住了。
每一个波长的光必须有一个自己的中继器，如果用一个自己的中继器，不同的光波长到这以后分开来中继放大，这时成本不合算，如果这样还不如采用别的方法来扩大容量，仅仅是因为有了光纤放大器以后，才有这种可能，所有波长的光在我这个放大器中同时被放大，因此，从乌鲁木齐就一直传到北京，波分复用系统就可以采用。
，如果没有光放大的话，不可能实现。
我们在这里介绍几点，一个介绍原理，一个介绍波分复用系统，然后是非线性、其它新的元器件、新的核心部件，要组成一个网要有很多部件才行。
图（3）掺铒光纤增益谱
掺铒光纤放大器有一个增益谱，如果原来信号是这么多，我可以增加30db，把铒离子掺在石英玻璃里面，它就会有这个特性，信号进来以后就可以放大，而且发现谱比较长。
第一批发明是在英国的南普林斯大学，1985年开始做，1986年有一些成果，我们有三篇文章投到美国的KELIO激光会议，他看这个组有三篇文章讲这个问题，他马上把级别提高，特邀你们做报告，就讲你们这个研究，一般的报告是八分钟，我给你二十分钟，讲完之后大家就知道掺铒有这个特性，而且能够产生激光。
既然能够产生激光就能够放大，从那时起全世界大量的人力物力就投入掺铒激光放大，有了大量的人力物力财力投入以后，到了1991年真的演示光的放大器就出来了。
我在那里留学本来一年两年就回国，当时一个石油公司投资的，他们决定向光电子领域进军，有一部分资金挪到光通信领域来。
当时条件就是推迟几个月。
发表文章告诉我，他就给钱，因此我后来就又留在英国继续做了。
有了这么一个曲线以后，使得我们后面的工作就有了方向。
如果把掺铒光纤放在这里，能量不会产生只会转换，能量从哪里来，有一个叫PAOTU光，用0.98微米的一个激光器给他供应能量，使掺铒光纤放大器有能量的储备，然后1.55信号光从这里走的时候，放大的是这个信号光，因为谱比较宽，所以进来的光出来时都放大，如果是30db就是1000倍，这个器件发明后，波分复用就开始应用了。
波分复用很简单，就是不同波长光经过电信号调制在频率不同的波长上，不同波长光统统进到耦合器里来，让它变成一个光纤，这些器件都已经完成了。
比如最简单的就是把几个光纤拧在一起，然后拉长。
光有个特点，一拉长光就往外跑，互相往外跑时就走到一根光纤里来了，这叫新型耦合器，这都是有我们成熟的技术的，这是WDM的基本原理。
到那头又要把他们全部分开，把光分开也有不同的办法。
原来是一种1.31的系统，必须经过40公里在这里有一个中继器，把光变成电，再进行放大、整形，再变成光走，不同的光波长只能走一个，调制的速率不能透明，这个中继器就是为140兆设计的，变成550兆、2.5G的时候就不通过，因为电信号就是这么设计的，你要升级必须把所有的东西都铲掉。
图（4）掺铒光纤放大器（EDFA）
（掺饵光纤，光信号，甭浦激光器，光隔离器，输出，择波耦合器，剩余甭浦）
自从用了光放大器以后，升级就比较简单。
我们现在的系统就变成这样，放大器埋在海底下就别动了，它的寿命到了你就换，寿命不倒你就一直用下去。
而很多的波长同时进来，从这里走过去，把很多的波长分开以后，各走各的，这样一个系统很明显，是一个先进的系统，这就是我们中国光通信正在建设的一个系统。
美国是90年代后期，投了大量资金已经改造好的一个系统，那时我们把它叫做下一代，对我们中国来讲，也可以称为下一代光通信系统。
关于非线性效应不多讲，理论性过于复杂，大家更多的知道一千瓦／公里时，非线性效应就比较明显，就是它的功率×
距离，（一千瓦／公里），非线性效应就必须考虑。
刚学光通信的时候，只考虑色散和衰减，没有想到这个问题，就是因为更突出才有了波分复用系统。
从乌鲁木齐到法兰克福是几千上万公里，而且功率是越来越大，因此非线性效应就越来越明显，不得不考虑。
所以有一些新的考虑，由单模光纤、色散位移光纤，又非0色散位移光纤，色散补偿光纤。
非0色散位移光纤，在2000年左右，不同的公司生产了不同的光纤，这些不同的光纤都在推销它的市场，相信，在最近几年还会考虑采用非0色散光纤铺设。
新疆的网会碰到的这样问题，到底采用什么样的光纤来改造光通信网络。
光纤放大器当初色散是1.53－1.56，30纳米这样一个范围，这是南普林斯大学最初的贡献。
现在我们在不同的领域都可以放大，这是最近十年光电子取得的成就，这个放大可以拓展一点，加上不同的材料连起来都可以放大。
因此要波分复用的话，给你放大的复用器件都准备好了。
我们把80年代后期发明的光纤放大器叫做常规的波段，叫C波段，把长一点的波段叫L波段，比较短，短波段叫S波段，再短一点的波段叫S+波段。
最近几年研究并没有停止，而是在不断进步。
另外还有一个放大叫拉曼放大，拉曼是一个过世的科学家，他早就知道有这种放大效应，它放大的区域就更广，在整个的区域里都可以放大。
有人会问，既然当初就知道这个放大，为什么开始研究的是掺铒放大，这些都是受技术的影响。
拉曼放大要在很大的预制功率底下才能够得到放大，这个预制功率要百千万瓦，而我们前面几十年做不出。
一个半导体激光器来产生一瓦十瓦的，都是毫瓦级的。
现在光电子的器件也在逐步进步，现在可以做出100瓦的半导体激光器。
如果要用固体激光器来做光通信，根本不行。
当你的激光器的水平到了那个时候，人们就开始考虑用拉曼放大，拉曼放大也是很多公司投资研究的放大器。
因此我们讲，第一个光通信窗口是0.85，第二个窗口的1.3，第三个窗口是1.5，第四个窗口向外播也是可以有80个信道，在这里可以有460个传播的信道，第五个，如果我们把这里的光纤衰减拉平了，如果我们能找到放大的设备，光通信都可以做波分复用。
我们用比较干燥的办法制造光纤，因此衰减曲线拉平了，而放大器件又找到了，光通信就可以有非常宽的波段，甚至于又出来第四个窗口。
拉曼放大器已经有很多实验，不多讲。
请大家记住，要放大必须给能量。
他的放大是宽幅的，拉曼式的放大，这个实验给了C波段有6db的增益，L波段有5db的增益，这是实验的结杲。
图（5）WDM系统第四和第五工作窗口
向大家总结一下WDM的技术，从前几年到去年的水平，到5.12阿尔卡特，这样大公司做出了几个传输系统都是轻而易举地，没有问题。
实际上是市场需求决定的。
比如日本富士通用了211个波长，在一个光纤里面走，每一个波长是10G，因此他传输的是7200公里，要在全国用我们的通信容量是多大。
经过传输以后每一个波长211个波长，分别放在L波段、C波段，这些元器件都是有一定的集成度的。
如果211个不同的半导体激光器分开做的话，那就麻烦了，因为激光器的波长要飘，因为温度的不同它要挪，这时混在一起就分不开了。
图（6）211个波长经过7,221km传输后光谱
在国家863计划里，希望半导体研究所的人做出这样的器件，这些器件发出来的光进了你的光系统能不能分开，光通信系统的色散非线性效应能不能处理，不同的领域都有不同的题目在做，研究生就是干这些的。
我们要组成波分网络，它的主要器件有这些，第一个传输技术里要有一个耦合器，或者合波器、分波器，有时都叫着耦合器，有很多波长的光能不能把它并成一个波长在一个光纤里出来，一个光纤里面传输的很多波长能不能分开？
我们国家的经济发展很快，但是我们的高科技公司哪一个具备自己知识产权，能够生产这些东西的公司很少很少，或者说没有。
当中国各电信真的要大规模的铺设WDM网络的时候，而且是用光的办法来解决的话，这些器件都不可少。
第二个器件是宽带放大器，前面讲得比较多，第三个器件是光的分叉复用器（OADM）。
很多光的波进来以后，能不能想加一个就加一个，想让某一个波长下来就下来，这里头组织的结构是什么，用什么样的原理？
这就变成一个很关键的器件，但这个关键的器件没有中国的公司能做，我们有三五年的落后是必须承认的。
第四个是更复杂的一个器件，光的交叉连接，很多光都在一个单模光纤里进来了。
在乌鲁木齐这里，有很多进来的口，欧洲过来的，北京的、兰州的都在这里交汇，还有我们内部伊犁的、阿克苏的都在这里交汇的话，有没有可能几个波长的光都传输到某一个地方去了，这个叫交叉连接。
这个用什么办法来解决？
很难。
当WDM一提出来，当90年代国际上大的电信公司网络都变成WDM网络时，这些做器件的公司马上就上来了。
光交叉连接的元器件还都在研究当中，有少量的产品可以用，但是因为生产量少，所以价格都是很昂贵的。
比如说，现在有一个动态光的分叉复用器，可以使一路输入光有32个信道进来了，可以叫它下载第三个频率，第五个频率，第十五个频率，十六个、十八个、十九个频率，下来六个波长，在兰州就下来了，还有二十六个继续往乌鲁木齐送。
如果在兰州给乌鲁木齐一个信号一个第十六个波长，就从这里进来就是了，这种叫动态的光的分叉复用器。
图（7）OADM功能描述
还有一种器件是可以调制的一种滤波器，因为我们在将来的网络里面，可能要挡住一些不同的信号光，叫滤波器，这种滤波器也有一些产品，使用铌酸锂材料做的产品，这些器件也是在大学里、研究所研究的器件，为了将来能在全光网络里应用。
比如说，列阵波导也是这样一种器件，这个叫微电子机械系统，也是作为光交叉连接的一个侯选器件，因为现在还都是实验的网络，没有真的网络在用。
如果真的网络用的话，那它就是很有生命力的期器件。
我们在讲光开关的时候,都是一般指用不同的方法使得光进行开关或者有或者没有，这就叫光的开关。
还有一种叫光子开关，用光来控制光，这是很难的一件事情。
因为光纤的传输不可能一直是直线的，它要拐弯，这个任务就由微电子机械系统（MEMS）来完成，让一束光按照我们的要求拐弯，办法是用一组镜子进行反射、抵射，即是用机械的方法进行交叉连接，这是现在所想到的最好的办法，因为单模光纤是微米级的，镜子的反射稍有偏差就将无法接收，所以精确度必须很高很高。
举个例子，一个电棒打出去，谁能用光的办法叫光拐弯，一个光笔一指就直射出去了，谁能用光的办法叫这个红光拐个弯？
研究了几十年没有实用的东西，现在最笨的办法，也是目前可能是最好的办法，还是用机械的办法，但是这个机械要加上微小这个字，还要加上用集成电路，还要有非常精密的仪器来驱动它。
现在国际年会已经来了三、五年了，每年还在开，就是在研究这些东西。
听起来很可怜，光通信那么先进，怎么还用机械的方法来做，没有办法，现在想到的最好的办法还是这个，有些产品也是非常昂贵的，学校里做科研买不起这些东西。
所以这些器件都是我们将来的侯选器件，都是在研究过程当中，包括朗讯公司都提供这样的产品。
都有一部分科学家和技术人员在研究这些东西，但是今年是不是上市，明年是不是已经有中国电信就决定用，很难做决定。
难就难在，到底买不买，到底建不建，对于老师和研究生来讲，反而简单，告诉你性能是什么，好处在哪里，一篇文章就发表出去了，但真正难的是商业上到底用不用。
图（8）阵列波导（AWG）：
全光网络侯选器件
我们作了分叉复用器以后，已经有比较成熟的产品，就是这样一种产品要有四个波长下来的话，波分复用系统到了这个节点的时候就把波长全部分开，我们想叫它下来就下来，新的波长也通过这个开关送上去，送上去是信号在这里放大以后同时并成一路到一个单模光纤继续往前走，分叉复用器就解决了这个问题。
我们需要两个器件，一个是可调谐的滤波器，另一个是可调谐的激光二极管，调制电信号使得发的光受到我的调制。
将来的网络就是，在长距离的光波传输网络里，如果将来用光的交换的话，用的就是交叉连接。
有了分叉复用器把波长分给了某一个小区，这个小区，支持这个系统，支持IP，支持SDH，支持AT这样一种网络采用了光的分叉复用器，采用了光的交叉连接，来构筑WDM的一种设想。
我们现在可以供应OXC光的交叉连接，光交换逐渐逐渐采用，放大的波长可以到160纳米，前两年是40、60，现在是160，总的速率可以达到1.76db－6.4db。
光的交换和光的路由器在十年应该可以使用，光的信号处理，要能够更多另外一个功能叫3R，目前还都在研究的阶段。
WDM技术发展的趋势，就是这样一个趋势，将来全光网络，能够实现是时间表，我们定在2010年。
第二个复用技术是时分复用技术。
我们讲归0码，就是归0以后，这块都是它的信号时间，但是没有信号，我们就利用这样的归0码能不能在这里插入别的信号，如果能插入
升级会员 