光纖通信技術(shù)進(jìn)展

 一 引言 隨著Internet的迅速普及以及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)的快速發(fā)展，人們對(duì)信息的需求呈現(xiàn)出爆炸性的增長(zhǎng)，幾乎是每半年翻一番。 在這樣的背景下，信息高速公路建設(shè)已成為世界性熱潮。而作為信息高速公路的核心和支柱的光纖通信技術(shù)更是成為重中之重。很多國(guó)家和地區(qū)不遺余力地斥巨資發(fā)展光纖通信技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，光纖通信事業(yè)得到了空前發(fā)展。此外，由于信息的生產(chǎn)、傳播、交換以及應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有決定性的影響，所以，與其它行業(yè)相比，光纖通信更具有特殊意義。 光纖通信事業(yè)是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程。它的各個(gè)組成部分互為依存、互相推動(dòng)，共同向前發(fā)展。就光纖通信技術(shù)本身來(lái)說(shuō)，應(yīng)該包括以下幾個(gè)主要部分:光纖光纜技術(shù)、傳輸技術(shù)、光有源器件、光無(wú)源器件以及光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

二 光纖光纜技術(shù)的進(jìn)展 光纖技術(shù)的進(jìn)步可以從兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明: 一是通信系統(tǒng)所用的光纖; 二是特種光纖。 早期光纖的傳輸窗口只有3個(gè)，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近幾年相繼開(kāi)發(fā)出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纖)以及S波段窗口。其中特別重要的是無(wú)水峰的全波窗口。這些窗口開(kāi)發(fā)成功的巨大意義就在于從1280nm到1625nm的廣闊的光頻范圍內(nèi)，都能實(shí)現(xiàn)低損耗、低色散傳輸，使傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬(wàn)倍的增長(zhǎng)。這一技術(shù)成果將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 另一方面是特種光纖的開(kāi)發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化，這是一個(gè)相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。

特種光纖具體有以下幾種:

1. 有源光纖 這類光纖主要是指摻有稀土離子的光纖。如摻鉺(Er3+)、摻釹(Nb3+)、摻鐠(Pr3+)、摻鐿(Yb3+)、摻銩(Tm3+)等，以此構(gòu)成激光活性物質(zhì)。這是制造光纖光放大器的核心物質(zhì)。不同摻雜的光纖放大器應(yīng)用于不同的工作波段，如摻餌光纖放大器(EDFA)應(yīng)用于1550nm附近(C、L波段); 摻鐠光纖放大器(PDFA)主要應(yīng)用于1310nm波段; 摻銩光纖放大器(TDFA)主要應(yīng)用于S波段等。這些摻雜光纖放大器與喇曼(Raman)光纖放大器一起給光纖通信技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化。它的顯著作用是: 直接放大光信號(hào)，延長(zhǎng)傳輸距離; 在光纖通信網(wǎng)和有線電視網(wǎng)(CATV網(wǎng))中作分配損耗補(bǔ)償; 此外，在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中及光孤子通信系統(tǒng)中是不可缺少的關(guān)鍵元器件。正因?yàn)橛辛斯饫w放大器，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼器的百萬(wàn)公里的光孤子傳輸。也正是有了光纖放大器，不僅能使WDM傳輸?shù)木嚯x大幅度延長(zhǎng)，而且也使得傳輸?shù)男阅茏罴鸦?

2. 色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compesation Fiber，DCF) 常規(guī)G.652光纖在1550nm波長(zhǎng)附近的色散為17ps/nm?km。當(dāng)速率超過(guò) 2.5Gb/s時(shí)，隨著傳輸距離的增加，會(huì)導(dǎo)致誤碼。若在CATV系統(tǒng)中使用，會(huì)使信號(hào)失真。其主要原因是正色散值的積累引起色散加劇，從而使傳輸特性變壞。為了克服這一問(wèn)題，必須采用色散值為負(fù)的光纖， 即將反色散光纖串接入系統(tǒng)中以抵消正色散值，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的色散大小。這里的反色散光纖就是所謂的色散補(bǔ)償光纖。 在1550nm處，反色散光纖的色散值通常在-50~200ps/nm?km。為了得到如此高的負(fù)色散值，必須將其芯徑做得很小，相對(duì)折射率差做得很大，而這種作法往往又會(huì)導(dǎo)致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散補(bǔ)償光纖是利用基模波導(dǎo)色散來(lái)獲得高的負(fù)色散值，通常將其色散與衰減之比稱作質(zhì)量因數(shù)，質(zhì)量因數(shù)當(dāng)然越大越好。為了能在整個(gè)波段均勻補(bǔ)償常規(guī)單模光纖的色散，最近又開(kāi)發(fā)出一種既補(bǔ)償色散又能補(bǔ)償色散斜率的"雙補(bǔ)償"光纖(DDCF)。該光纖的特點(diǎn)是色散斜率之比(RDE)與常規(guī)光纖相同，但符號(hào)相反，所以更適合在整個(gè)波形內(nèi)的均衡補(bǔ)償。

3. 光纖光柵(Fiber Grating) 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在紫外光的照射(通常稱為紫外光"寫入")下，于光纖芯部產(chǎn)生周期性的折射率變化(即光柵)而制成的。使用的是摻鍺光纖，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射(在載氫氣氛中)，使纖芯的折射率產(chǎn)生周期性的變化，然后經(jīng)退火處理后可長(zhǎng)期保存。其制作原理如圖2所示。圖2中的相位掩膜板實(shí)際上為一塊特殊設(shè)計(jì)的光柵，其正負(fù)一級(jí)衍射光相交形成干涉條紋，這樣就在纖芯逐漸產(chǎn)生成光柵。光柵周期A是模板周期的二分之一。 眾所周知，光柵本身是一種選頻器件，利用光纖光柵可以制作成許多重要的光無(wú)源器件及光有源器件。例如: 色散補(bǔ)償器、增益均衡器、光分插復(fù)用器、光濾波器、光波復(fù)用器、光?；蜣D(zhuǎn)換器、光脈沖壓縮器、光纖傳感器以及光纖激光器等。

4. 多芯單模光纖(Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF) 多芯光纖是一個(gè)共用外包層、內(nèi)含有多根纖芯、而每根纖芯又有自己的內(nèi)包層的單模光纖。這種光纖的明顯優(yōu)勢(shì)是成本較低。4芯的這種光纖的生產(chǎn)成本較普通的光纖約低50%。此外，這種光纖可以提高成纜的集成密度，同時(shí)也可降低施工成本。 以上是光纖技術(shù)在近幾年里所取得的主要成就。至于光纜方面的成就，我們認(rèn)為主要表現(xiàn)在帶狀光纜的開(kāi)發(fā)成功及批量化生產(chǎn)方面。這種光纜是光纖接入網(wǎng)及局域網(wǎng)中必備的一種光纜。目前光纜的含纖數(shù)量達(dá)千根以上，有力地保證了接入網(wǎng)的建設(shè)。

三 光有源器件的進(jìn)展 光有源器件的研究與開(kāi)發(fā)本來(lái)是一個(gè)最為活躍的領(lǐng)域，但由于前幾年已取得輝煌的成果，所以當(dāng)今的活動(dòng)空間已大大縮小。超晶格結(jié)構(gòu)材料與量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生產(chǎn)，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。

除此之外，目前已在下列幾方面取得重大成就。

1. 集成器件 這里主要指光電集成(OEIC)已開(kāi)始商品化，如分布反饋激光器(DFB-LD)與電吸收調(diào)制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已開(kāi)始商品化; 其它發(fā)射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分別與MESFET或HBT或HEMT的集成; 接收器件的集成主要是PIN、金屬?半導(dǎo)體?金屬探測(cè)器分別與MESFET或HBT或HEMT的前置放大電路的集成。雖然這些集成都已獲得成功，但還沒(méi)有商品化。

2. 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 由于便于集成和高密度應(yīng)用，垂直腔面發(fā)射激光器受到廣泛重視。這種結(jié)構(gòu)的器件已在短波長(zhǎng)(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并開(kāi)始商品化; 在長(zhǎng)波長(zhǎng)(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已開(kāi)始進(jìn)行，目前也有少量商品。可以斷言，垂直腔面發(fā)射激光器將在接入網(wǎng)、局域網(wǎng)中發(fā)揮重大作用。

3. 窄帶響應(yīng)可調(diào)諧集成光子探測(cè)器 由于DWDM光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信道間隔越來(lái)越小，甚至到0.1nm。為此，探測(cè)器的響應(yīng)譜半寬也應(yīng)基本上達(dá)到這個(gè)要求。恰好窄帶探測(cè)器有陡銳的響應(yīng)譜特性，能夠滿足這一要求。集F-P腔濾波器和光吸收有源層于一體的共振腔增強(qiáng)(RCE)型探測(cè)器能提供一個(gè)重要的全面解決方案。

4. 基于硅基的異質(zhì)材料的多量子阱器件與集成(SiGe/Si MQW) 這方面的研究是一大熱點(diǎn)。眾所周知，硅(Si)、鍺(Ge)是簡(jiǎn)接帶源材料，發(fā)光效率很低，不適合作光電子器件，但是Si材料的半導(dǎo)體工藝非常成熟。于是人們?cè)O(shè)想，利用能帶剪裁工程使物質(zhì)改性，以達(dá)到在硅基基礎(chǔ)上制作光電子器件及其集成(主要是實(shí)現(xiàn)光電集成，即OEIC)的目的，這方面已取得巨大成就。在理論上有眾多的創(chuàng)新，在技術(shù)上有重大的突破，器件水平日趨完善。
　　
四 光無(wú)源器件 光無(wú)源器件與光有源器件同樣是不可缺少的。由于光纖接入網(wǎng)及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，導(dǎo)致光無(wú)源器件的發(fā)展空前地?zé)衢T。常規(guī)的常用器件已達(dá)到一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，品種和性能也得到了極大的擴(kuò)展和改善。所謂光無(wú)源器件就是指光能量消耗型器件、其種類繁多、功能各異，在光通信系統(tǒng)及光網(wǎng)絡(luò)中主要的作用是: 連接光波導(dǎo)或光路; 控制光的傳播方向; 控制光功率的分配; 控制光波導(dǎo)之間、器件之間和光波導(dǎo)與器件之間的光耦合; 合波與分波; 光信道的上下與交叉連接等。 早期的幾種光無(wú)源器件已商品化。其中光纖活動(dòng)連接器無(wú)論在品種和產(chǎn)量方面都已有相當(dāng)大的規(guī)模，不僅滿足國(guó)內(nèi)需要，而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰減器和光隔離器已有小批量生產(chǎn)。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了許多光無(wú)源器件，如環(huán)行器、色散補(bǔ)償器、增益平衡器、光的上下復(fù)用器、光交叉連接器、陣列波導(dǎo)光柵CAWG等等。這些都還處于研發(fā)階段或試生產(chǎn)階段，有的也能提供少量商品。 按光纖通信技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律來(lái)看，當(dāng)光纖接入網(wǎng)大規(guī)模興建時(shí)，光無(wú)源器件的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)光有源器件的需求。這主要是由于接入網(wǎng)的特點(diǎn)所決定的。接入網(wǎng)的市場(chǎng)約為整個(gè)通信市場(chǎng)的三分之一。因而，接入網(wǎng)產(chǎn)品有巨大的市場(chǎng)及潛在的市場(chǎng)。

五 光復(fù)用技術(shù) 光復(fù)用技術(shù)種類很多，其中最為重要的是波分復(fù)用(WDM)技術(shù)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)。光復(fù)用技術(shù)是當(dāng)今光纖通信技術(shù)中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域，它的技術(shù)進(jìn)步極大地推動(dòng)光纖通信事業(yè)的發(fā)展，給傳輸技術(shù)帶來(lái)了革命性的變革。 波分復(fù)用當(dāng)前的商業(yè)水平是273個(gè)或更多的波長(zhǎng)，研究水平是1022個(gè)波長(zhǎng)(能傳輸368億路電話)，近期的潛在水平為幾千個(gè)波長(zhǎng)，理論極限約為15000個(gè)波長(zhǎng)(包括光的偏振模色散復(fù)用，OPDM)。據(jù)1999年5月多倫多的Light Management Group Inc of Toronto演示報(bào)導(dǎo)，在一根光纖中傳送了65536個(gè)光波，把PC數(shù)字信號(hào)傳送到200m的廣告板上，并采用聲光控制技術(shù)，這說(shuō)明了密集波分復(fù)用技術(shù)的潛在能力是巨大的。 OTDM是指在一個(gè)光頻率上，在不同的時(shí)刻傳送不同的信道信息。這種復(fù)用的傳輸速度已達(dá)到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結(jié)合，則會(huì)使復(fù)用的容量增加得更大，如虎添翼。

六 光放大技術(shù) 光放大器的開(kāi)發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個(gè)非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號(hào)。在此之前，傳送信號(hào)的放大都是要實(shí)現(xiàn)光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。 光放大器主要有3種: 光纖放大器、拉曼放大器以及半導(dǎo)體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質(zhì)。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的(如圖4所示)。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶; 摻銩光纖放大器的增益帶是S波段; 摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會(huì)發(fā)生非線性效應(yīng)?喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過(guò)程中， 把能量轉(zhuǎn)交給信號(hào)光，從而使信號(hào)光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個(gè)分布式的放大過(guò)程，即沿整個(gè)線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說(shuō)是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開(kāi)始商品化了，不過(guò)相當(dāng)昂貴。半導(dǎo)體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導(dǎo)體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的(見(jiàn)圖4)。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實(shí)用了，但產(chǎn)量很小。

以上，我們系統(tǒng)、全面地評(píng)論了光纖通信技術(shù)的重大進(jìn)展，至于光纖通信技術(shù)的發(fā)展方向，可以概括為兩個(gè)方面: 一是超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸與交換技術(shù); 二是全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．