光纤通信简史

1841年，Daniel Colladon和Jacques Babinet这两位科学家做了一个简单的实验：

在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲。

光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

这是为什么呢？难道光线不是直线传输吗？

这一现象，叫做光的全内反射作用。即，光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。

1880年，亚历山大·贝尔(Alexander Graham Bell)发明了“光话机”。贝尔将太阳聚成一道极为狭窄的光束，照射在很薄的镜子上，当人们发出声音的“声波”让这面薄镜产生振动时，“反射光”强度的变化使得感应的侦测器产生变动，改变“电阻”值。而接收端则利用变化的“电阻”值产生电流，还原成原来的“声波”。

当贝尔测试“光话机”成功时，他写下了：

我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声。

不过，他的这项发明仅能传播约200米，因为由空气传递的光束，光线强度仍会随距离迅速减弱。

当时贝尔虽曾预测这项发明：

在科学世界里，这将远比电话、留声机和麦克风更有趣。

由于光线在空气中的衰减速度很快，因此，人们想到了利用物质传导光，正如Daniel Colladon和Jacques Babinet的演示那样，让“光波”在水柱中传播。

但是，在1841年那个水桶演示之后的近60年里，光的全内反射原理仅仅用于短距离传播领域。比如，应用于医学，牙科医生用弯曲的玻璃棒来把灯光导入病人的口腔为手术照明。

尽管玻璃纤维从文艺复兴时期就开始被广泛应用，玻璃工人可以生产出精美的花瓶和工艺品。但是，要解决光导长距离传输必须将玻璃棒拉成十分坚固和柔韧的玻璃纤维。

1887年，一位英国科学家，Charles Vernon Boys，在一根加热过的玻璃棒附近放了一张弓，当玻璃棒足够热时，把箭射出去，箭带动热玻璃在实验室里拉出了一道长长的纤细的玻璃纤维。

这根“光纤”，足足有9英尺长（约2.74米）。

这无疑让光纤通信又前进了一大步。不过，和1841年那次水桶演示后发生的情况一样，实验终归是实验，迈向下一步我们又足足等了50年。

直到1938年，美国Owens Illinois Glass公司与日本日东纺绩公司才开始生产玻璃长纤维。

但是，这个时候生产的光纤是裸纤，没有包层。

我们知道，光纤的传播是利用全内反射原理，全内反射角由介质的折射系数决定，裸纤会引起光泄漏，光甚至会从粘附在光纤上的油污泄漏出去。

包层的问题在1950年代才解决。

1951年，光物理学家Brian O’Brian提出了包层的概念。

然后，有人试图用人造黄油作为包层，但结果不实用。

1956年，密歇根大学的一位学生制作了第一个玻璃包层光纤，他用一个折射率低的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。

玻璃包层很快成为标准，塑料包层也相继出现。

众所周知，光纤利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全内反射原理达成光传导。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

1960年代，电信工程师们正在寻找更多的传输带宽。无线电、微波的频率已不能满足增长中的电视、电话对带宽的要求，因此他们想找一种更高的频率来承载信号。电话公司认为即将到来的可视电话，又会增加对带宽的需求。

1960年，Theodore Maiman 向人们展示了第一台激光器。这燃起了人们对光通信的兴趣，激光看起来是很有前途的通信方式，可以解决传输带宽问题，很多实验室开始了实验。

不过，很快他们发现，空气并不是激光通信传播的优良介质，受天气的影响太严重了。自然，工程师们把目光转移到光纤上。

有了发光源，包层的问题也解决了，看起来光纤通信到来的日子不远了。然而，接下来的问题让不少人打了退堂鼓。

有了包层的光纤，不过是能做成灵活的内窥镜进入人体的咽喉、胃部、结肠，而其使用于内窥镜中，光传播3米能量就损失一半，用于人体内脏检查还可以，但用于长距离的光通信，仿佛天方夜谭。

光纤传播损耗太大，不适合于通信，很多工程师放弃了光纤通信的尝试。

总是有些人不肯轻言放弃。他们决定，一定要找出影响光纤损耗的因素到底是什么。

终于，1966年，年轻的工程师，英藉华人高锟（K.C.Kao）得出了一个光纤通信史上突破性的结论：

损耗主要是由于材料所含的杂质引起，并非玻璃本身。

光纤之父 — 高锟

他预言，光束在高纯度的光纤中传播至少500米时，还有10%的能量剩余。

骚年，你在开玩笑吧！对于很多人而言，这个预言如同神话一样。

1966年7月，高锟就光纤传输的前景发表了具有历史意义的论文。该文分析了造成光纤传输损耗的主要原因，从理论上阐述了有可能把损耗降低到20dB／公里的见解，并提出这样的光纤将可用于通信。

现在大家都知道，43年后，高锟因为这篇论文获得了2009年诺贝尔物理学奖。

可是在当时，很多人都认为这是天方夜谭。

高锟像传道士一样到处推销他的信念，他远赴日本、德国，甚至美国大名鼎鼎的贝尔实验室。对于自己相信的东西，高锟很固执。也许正是出于这样的“固执”，高锟的论文，消除了学术界、工业界的疑虑，证明了光导纤维传输信息的可行性，大家马上就跟上来了。

光纤变成了热点。工业界投入人力和财力，科学家、工程师全力以赴。

很快，四年以后，美国康宁公司就真的拉出来了20dB/公里的光纤。

美国康宁公司

康宁公司第一个实现了与理论一致的结果，并突破了高锟所提出的每公里衰减20分贝（20dB/km）关卡，证明光纤作为通信介质的可能性。

与此同时，使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光（semiconductor laser）也由贝尔实验室发明出来，并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。

至此，光纤才真正开始应用于光纤通信。因此，我们把1966年称为光纤通信的诞生年。

从那以后，光纤通信正式开始揭开序幕…

1972年，传输损耗降低至4dB/km。

1973年，我国邮电部武汉邮电学院开始研究光纤通信。

1974年，美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法—CVD法(汽相沉积法)，使光纤传输损耗降低到1.1dB/km。

1976年，贝尔实验室在亚特兰大建成第一条光纤通信实验系统，采用了西方电气公司制造的含有144根光纤的光缆。第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在地下渠道中诞生。

此时，日本电报电话公司开始了64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功1.3微米波长的半导体激光器。

1978年，我国自行研制出通信光缆，采用的是多模光纤，缆心结构为层绞式。

1979年，日本电报电话公司研制出0.2db/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）。

第一个商用的光纤通信系统问世。这个人类史上第一个光纤通信系统使用波长800nm的砷化镓激光作为光源，传输的速率达到45Mb/s，每10公里需要一个中继器增强信号。

接着，第二代的商用光纤通信系统也问世了。它使用波长1300nm的磷砷化镓铟（InGaAsP）激光。

早期的光纤通信系统虽然受到色散（dispersion）的问题而影响了信号质量，但是1981年单模光纤（single-mode fiber）的发明克服了这个问题。

到了1987年时，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统的速率快将近四十倍之谱。同时传输的功率与信号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强信号。

1980年代末，EDFA的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑似的事件。它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使DWDM的诞生。

到了第三代的光纤通信系统，改用波长1550nm的激光做光源，而且信号的衰减已经低至每公里0.2分贝（0.2dB/km）。之前使用磷砷化镓铟激光的光纤通信系统常常遭遇到脉波延散（pulse spreading）问题，而科学家则设计出色散迁移光纤（dispersion-shifted fiber）来解决这些问题。这种光纤在传递1550nm的光波时，色散几乎为零，因其可将激光光的光谱限制在单一纵模（longitudinal mode）。

这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100公里远。

第四代光纤通信系统引进光放大器（optical amplifier），进一步减少中继器的需求。另外，波分复用（wavelength-division multiplexing, WDM）技术则大幅增加传输速率。

这两项技术的发展让光纤通信系统的容量以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10Tb/s的惊人速率，足足是80年代光纤通信系统的200倍之多。

后来，传输速率已经进一步增加到14Tb/s，每隔160公里才需要一个中继器。

第五代光纤通信系统发展的重心在于扩展波分复用器的波长操作范围。传统的波长范围，也就是一般俗称的“C band”约是1530nm至1570nm之间，新一带的无水光纤（dry fiber）低损耗的波段则延伸到1300nm至1650nm间。

另外一个发展中的技术是引进光孤子（optical soliton）的概念，利用光纤的非线性效应，让脉波能够抵抗色散而维持原本的波形。

…

作为20世纪人类社会所取得的最伟大的技术成就之一，光纤通信技术是人类向信息化时代迈进不可替代的重要基石。如果没有光纤通信的发明，就没有舒适和便利的互联网生活。

来源 | 网优雇佣军

光纤光缆光通信传输基础知识汇总简单易懂

光纤通信的优点

●通信容量大

●中继距离长

●不受电磁干扰

●资源丰富

●光纤重量轻、体积小

光通信发展简史

2000多年前

烽火台——灯光、旗语

1880年

光电话——无线光通信

1970年

光纤通信

●1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。

●1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。

●1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。

●1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。

电磁波谱

通信波段划分及相应传输媒介

光的折射/反射和全反射

因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

反射率分布：表征光学材料的一个重要参数是折射率，用N表示，真空中的光速C与材料中光速V之比就是材料的折射率。

N＝C/V

光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5

光通信的发展过程

光的基本知识

光纤结构

光纤裸纤一般分为三层：

第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-10μm,(单模）50或62.5（多模）。

第二层：中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）。

第三层：最外是加强用的树脂涂层。

1)纤芯 core：折射率较高，用来传送光；

2)包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；

3)保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。

3mm光缆 橘色 MM　 多模

黄色 SM　 单模

光纤的尺寸

外径一般为125um(一根头发平均100um)

内径：单模9um 多模50/62.5um

数值孔径

入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同

光纤的种类

按光在光纤中的传输模式可分为：

多模（Multi-Mode） (简称：MM）

单模（Single-Mode）(简称：SM）

　

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。实际上是阶跃型光纤的种，只是纤芯径很小，理论上只允许单一传播途径的直进光入射至光纤内，并在纤芯内作直线传播。光纤脉冲几乎没有展宽。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

光纤的分类

按材料分类：

玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；

胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；

塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。

按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。

色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。

突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

　　

渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

常用光纤规格

光纤尺寸：

1)单模纤芯直径：9/125μm，10/125μm　　　

2)包层外径（2D）＝125μm

3)一次涂敷外径＝250μm

4)尾纤：300μm

5)多模：

50/125μm，欧洲标准

62.5/125μm，美国标准

6)工业，医疗和低速网络：100/140μm， 200/230μm 　　　　　　　　　

7)塑料：98/1000μm，用于汽车控制

光纤衰减

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

光缆的种类

1)按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。

2)按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。

3)按用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。

光缆的接续与成端

光缆的接续与成端是光缆线路维护人员必须掌握的基本技能。

光缆的接续技术分类：

1)光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。

2)光缆的成端类似光缆的接续，只不过由于接头材料不同而操作该当也有所不同。

光纤接续的种类

光缆接续一般可分为两大类：

1)光纤的固定接续（俗称死接头）。一般采用光纤熔接机；用于光缆直接头。

2)光纤的活动接头（俗称活接头）。用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。用于光纤跳线、设备连接等地方

由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀性，一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大，现在采用二次放电熔接法。先对光纤端面预热放电，给端面整形，去除灰尘和杂物，同时通过预热使光纤端面压力均匀。

光纤连接损耗的监测方法

光纤连接损耗的监测方法有三种：

1、在熔接机上进行监测。

2、光源、光功率计监测。

3、OTDR测量法

光纤接续的操作方法

光纤接续操作一般分为：

1、光纤端面的处理。

2、光纤的接续安装。

3、光纤的熔接。

4、光纤接头的保护。

5、余纤的盘留五个步骤。

通常整个光缆的接续按以下步骤进行：

第一步：大量好长度，开剥光缆，除去光缆护套；

第二步：清洗、去除光缆内的石油填充膏。

第三步：捆扎好光纤。

第四步：检查光纤心数，进行光纤对号，核对光纤色标是否有误；

第五步：加强心接续；

第六步：各种辅助线对，包括公务线对、控制线对、屏蔽地线等接续（如果有上述线对。

第七步：光纤的接续。

第八步：光纤接头保护处理；

第九步：光纤余纤的盘库留处理；

第十步：完成光缆护套的接续；

第十一步：光缆接头的保护。

光纤的损耗

1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km

1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km

850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km

光纤熔接点损耗：0.08dB/点

光纤熔接点 1点/2km

常见光纤名词

1)衰减

衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm 0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纤300dB/km

2)色散

色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。

模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。

材料色散：不同波长的光行进速度不同。

波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。

光纤类型

G.652零色散点在1300nm左右

G.653零色散点在1550nm左右

G.654负色散光纤

G.655色散位移光纤

全波光纤

3)散射

由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。

光纤系统基础知识

基本光纤系统的构架及其功能介绍：

1.发送单元：把电信号转换成光信号；

2.传输单元：载送光信号的介质；

3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；

4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。

常用连接器类型

连接头端面类型

耦合器（coupler）

主要功能再分配光信号

重要应用在光纤网络

尤其是应用在局域网

在波分复用器件上应用

基本结构

耦合器是双向无源器件

基本形式有树型、星型

——与耦合器对应的有分路器（splitter）

以图形表示

波分复用器

WDM—Wavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。

波分复用器（图例）

发送单元

接收单元

放大器

光纤数字通信

数字系统中脉冲的定义：

1.振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。

2.上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。

3.下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。

4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。

5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。

6.消光比：1信号光功率于0信号光功率的比值。

光纤通信中常用单位的定义：

1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )

Pout :输出功率 ; Pin :输入功率

2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)

是通信工程中广泛使用的单位；

通常表示以1毫瓦为参考的光功率；

example: –10dBm表示光功率等于100uw。

3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)

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