所谓光纤通信, 就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体, 必须对之进行调制, 在接收端再把信息从光波中检测出来。然而, 由于目前技术水平所限, 对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内, 尚未达到实用化水平, 因此目前大都采用强度调制与直接检波方式 (IM-DD) 。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重, 所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
一、光纤通信的发展史
在60年代中期以前, 人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等, 想用它们作为传送光波的媒体以实现通信, 但终因它们或者衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。
1966年7月, 英藉、华裔学者高锟博士 (K.C.Kao) 在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》, 该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性, 并设计了通信用光纤的波导结 (即阶跃光纤) 。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性, 即加强原材料提纯, 加入适当的掺杂剂, 可以把光纤的衰耗系数降低到20d B/km以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤, 其衰耗在1000d B/km以上。对于制造衰耗在20d B/km以下的光纤, 被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆预言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。
1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想, 用改进型化学相沉积法 (MCVD法) 制造出当时世界上第一根超低耗光纤, 成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。
虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长, 衰耗约20d B/km, 而且几个小时之后便损坏了。但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的, 也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体, 是光通信研究的重大实质性突破。
自1970年以后, 世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力, 其来势之猛, 规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外, 从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。
二、光纤通信优点
光纤通信和其它通信手段相比, 具有无以伦比的优越性。
通信容量大, 从理论上讲, 一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量, 但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功, 它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大, 而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤, 如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用, 其通信容量之大就更加惊人了。
中继距离长, 由于光纤具有极低的衰耗系数 (目前商用化石英光纤已达0.19d B/km以下) , 若配以适当的光发送与光接收设备, 可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆 (1.5km) 、微波 (50km) 等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导, 用一根光纤同时传输24万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。此外, 已在进行的光孤子通信试验, 已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。因此, 在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。
保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行, 基本上没有光“泄露”出去, 因此其保密性能极好。
适应能力强, 适应能力强是指, 不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀, 可挠性强 (弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响) 等。
体积小、重量轻、便于施工维护, 光缆的敷设方式方便灵活, 既可以直埋、管道敷设, 又可以水底和架空。
原材料来源丰富, 潜在价格低廉, 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子, 而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。
三、光通信的展望
光纤通信从1970年真正起步, 迄今为止虽然仅有近三十年的时间, 但光纤通信的技术取得了极其惊人的进展, 它已经成为现代通信最主要的传输手段。光纤的衰耗从刚开始的20d B/km, 而现在已经低达0.14d B/km, 它已经十分接近石英光纤的理论衰耗极限0.1d B/km, 光纤的带宽也从刚开始的10MHZ?km发展到现在1000GHZ?km以上。光源器件从刚开始的结构简单的、发光功率只有几十微瓦、寿命仅几小时的Ga As激光器发展到现在的发光功率在1毫瓦以上、寿命达几十万小时的分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。光纤通信系统的水平也在不断地提高, 从1976年的45Mb/S发展到现在的10Gb/S。1985年多模光纤通信商用化, 1990年单模光纤通信又迅速商用化, 而现在技术更加先进的SDH光纤通信已经席卷世界各地。
但是, 光纤通信的潜力是巨大的, 我们目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1~2%左右。因此光纤通信技术并未停滞不前, 而是向更高水平、更高层次的方向发展。
（一）波分复用技术（WDM）。
所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。
在系统的发送端, 由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4, 并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输, 而在接收端用分波器把几种光波分离开, 分别输入到各个分系统的光接收机。
可以看出波分复用的关键技术是光波的合波器与分波器。近几年已经出现几种形式的合波器与分波器, 如半透镜与滤光片、自聚焦棒与滤光片以及平面光栅与偏振光栅等。
(二) 相干光通信。
所谓相干光通信, 就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光, 并用先进的调制方法如FSK、ASK和PSK对之进行调制。在收端, 把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光, 经光耦合器后加到光混混频器上进行混频与差频, 然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。
相干光通信技术一则可以增大光纤的传输容量, 二则可以大大提高光接收机的灵敏度 (可提高10~20d B) 。
相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。由发送端的光源和接收端的本振光源所发出的光, 必须谱线十分狭窄 (接近单频) 、频率十分稳定、相位也非常恒定, 否则无法进行混频与差频。此外, 本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配, 这就要求光纤应该是偏振保持光纤。
（三）超长波长光纤通信。
石英光纤的衰耗目前已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。经研究发现，氟化物光纤在波长3.4 微米处的衰耗理论极限，可低达 10 - 3 d B/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论极限可低达 10 - 2～10 - 5d B/km，若真的实现光纤衰耗小于10 -3 d B/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。人们把波长大于 2 微米的通信称为超长波长光纤通信。
(四) 光集成技术。
它和电子技术中的集成电路相类似, 是把许多微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上, 构成具有复杂性能的光器件;还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂功能的光电部件如光发送机与光接收机等。
(五) 光孤子通信。
我们知道, 通信容量越大, 要求光脉冲越窄, 如2.5Gb/s系统的光脉冲宽度约为400ps。窄光脉冲经光纤传输后因光纤的色散作用而出现脉冲展宽现象而引起码间干扰, 因此脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。经研究发现, 当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的奇特现象, 其光脉冲宽度可低达几个ps, 即所谓光孤子脉冲。因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。
(六) 实现超大容量通信的近期趋势。
社会的不断进步和发展对通信提出了越来越高的需求, 光纤通信的容量也一直在不断地扩大, 而技术难题也不断地出现。
TDM方式
时分复用方式 (TDM) 是提高光纤容量的有效手段。据测算, 速率每提高一个等级, TDM的每比特的成本会下降30%-40%。但码速率越高, 光纤色散的影响也越严重, 因此必须采用色散补偿技术。如10Gb/S系统就是如此。目前, 国际上TDM实验室水平已达到40 Gb/S。
WDM方式
波分复用 (WDM) 方式因配置灵活、扩容方便, 又可以节省光纤, 所以其发展前景看好。但是国际上以2.5Gb/S还是以10Gb/S作为WDM的基群问题上出现了分歧。
此外, 由于G.653光纤在开放WDM应用时会出现四波混频效应 (FWM) , 所以最适合于WDM方式的光纤是G.655光纤。目前国际上WDM最高实验室水平为2640Gb/S。
OTDM方式
光时分复用 (OTDM) 和传统的TDM的区别是:光/电和电/光转换在系统中的位置不同。
我们现在采用的TDM方式, 是把光/电和电/光转换放在高速率信道上。如先对线路信号进行光/电转换, 然后对电信号进行解复用。而OTDM则是直接对高速率光信号进行复用和解复用, 然后再对分支光路信号进行光/电和电/光转换。目前OTDM最高实验室水平为200 Gb/S。
随着通信技术数字化和分组交换技术的发展, 接入网数字化、宽带化成为网络技术发展的趋势。光纤通信网络的建设主要依据业务需求和发展、技术保障和经济能力, 光纤网络能灵活地把业务提供给用户, 满足不同层次用户的需求。光纤通信网络不仅支持现有的窄带和宽带业务, 还支持未来的多媒体业务, 是解决信息传输瓶颈的理想网络结构。光纤网络的建设不仅会带来接人技术的发展, 而且蕴含着巨大的商业利益和市场再分配问题。总之, 光纤通信技术虽然已经成熟并成为现代通信的主要传输手段, 但它并没有停滞不前而是向更高水平, 更深层次的方向发展。并引发了许多新课题, 形成了许多新学科, 从而促进了其它科学分支的发展。