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光纤光缆技术的进步之路解析:助推产业发展的原动力

2015-10-26 10:32
铁马老言
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  1966年,在英国工作的中国人高锟与英国人霍克曼共同提出用玻璃纤维作为光传输介质的科学设想。他们认为,电可以沿着导电的金属线远距离传输,光也可以沿着导光的玻璃纤维传输,由此产生了低损耗的光导纤维(简称光纤)的概念。当时玻璃纤维的传输损耗为1000dB/km,用于医学技术的短距离直接图像传输。他们认为玻璃纤维的损耗是可以减小的,如果能降到20dB/km以下,就可用于通信。许多国家开始从事这方面研究。

  1970年,美国康宁公司研制成功了损耗小于20dB/km(633nm)的石英单模光纤。1972年康宁又把光纤的损耗降到7dB/km。1973年贝尔实验室发明的MCVD法制造光纤,使光纤的损耗又降到2.5dB/km。

  1970年,美国贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的GaAlAs半导体激光器。与早期发明的红宝石激光器和气体激光器相比,半导体激光器体积小,耗电少,又能直接用电流调制,使用极为方便,为光纤通信找到了合适的光源。但是,初期的半导体激光器寿命很短,只有几个小时。此后,各国不懈努力,各种实用的激光器相继问世。1976年日本NTT和美国麻省理工学院又研制出InGaAsP长波长激光器。1977年贝尔实验室研制成功了室温下寿命为100万小时的GaAlAs激光器,为光纤通信的商用化奠定了基础。

  1976年美国首先在亚特兰大成功地进行了44.736Mb/s传输10km的光纤通信系统现场试验,使光纤通信向实用化迈出了第一步。

  1977年美国在芝加哥两个电话局之间开通世界上第一个使用多模光纤商用光纤通信系统(距离7KM,波长850nm,速率44.736Mb/s)。之后日本、德国、英国也先后建起了光缆线路。1979年单模光纤通信系统也进入了现场试验。以后光纤通信在全世界飞速发展起来。

  二、光纤的技术进步之路

  光纤通信商用化以来,由于市场需求和技术进步的推动,光纤品种和特性及应用经历了下述三个重要发展阶段。

  1、多模光纤(第一窗口、第二窗口)

  1972-1981年间是多模光纤研发和应用期。前期第一个使用的波长是850nm,称为第一窗口。先开发使用阶跃型多模光纤。接着开发了A1a类梯度多模光纤(50/125),其衰减3.0-3.5dB/km,带宽200-800MHz·km,数值孔径0.20±0.02或0.23±0.02;以后又开发使用A1b类梯度多模光纤(62.5/125),其衰减3.0-3.5dB/km,带宽100-800MHz·km,数值孔径0.275±0.015。这两种光纤与850nm附近波长LED(发光二极管)相配合,形成光通信系统。LED光谱宽度40nm,注入光功率5或20μW,最大比特速度5或60Mb/s。

  70年代末到80年代初,又开发了第二窗口(1300nm)。A1a类光纤衰减0.8-1.5dB/km,带宽200-1200MHz·km;A1b类光纤衰减0.8-1.5dB/km,带宽200-1000MHz·km。与它们相配合使用的是高辐射LED,其光谱宽度120nm,注入光功率20μW,最大比特率100Mb/s。

  2、G.652及G.653、G.654单模光纤(第二、三窗口)

  1982-1992年是G.652及G.653、G.654单模光纤开始大规模应用期,打开了光纤的第二窗口(1310nm)和第三窗口(1550nm)。1973-1977年世界各大光纤制造商开发了各种先进的预制棒生产工艺。康宁开发出OVD技术;日本的NTT、住友、古河、藤仓等联合开发出VAD技术;朗讯改善了MCVD技术;荷兰菲力浦开发了PCVD技术。1982年由美国开始,日、德等国家紧跟,世界上开始大量建设G.652单模光纤长途工程。单模光纤市场需求大增刺激了其大规模生产。这时康宁的OVD进一步提高了沉积速率,VAD、MCVD、PCVD都外加套管来作为增大预制棒的措施。以后各家都照着两步法的混合工艺来加大预制棒。90年代法国阿尔卡特开发了APVD技术(MCVD+等离子喷涂工艺)。各大光纤制造商制造技术的重大进步,为常规单模光纤的广泛应用创造了更好的条件。1984年开始用第三窗口(1550nm)。1984年CCITT发布G.651和G.652标准。到1985年,G.652光纤1310nm损耗已达0.35dB/km,1550nm损耗已达0.21dB/km。

  1985年日本、美国研发的G.653色散位移光纤商用化,其特点是把零色散点从第二窗口移到第三窗口,1550nm波长不仅损耗最低,而且色散也最小,1988年CCITT发布G.653标准。此光纤大量用于日本的通信干线。90年代初,掺铒光纤放大器(EDFA)开始商用化促使密集波分复用(DWDM)提上议事日程。但G.653光纤在1550nm波长处的零色散造成DWDM系统波道间的非线性干扰十分严重,因而没在世界上推广开来。1995年我国建设京九光缆工程,24芯纤中用了六根G.653光纤,一直没开通,以后我国也没用G.653光纤。

  这一时期还产生了一种截止波长移位的光纤,它在1550nm处不但损耗低,而且微弯损耗小,适合使用光放大器的长途干线系统和海底光缆系统,CCITT1988年发布G.654标准。

  3、光纤通信窗口全打开,光纤特性大进展

  1993-2006期间光纤通信窗口扩展到4、5窗口及S波段,光纤通信窗口全打开,新开发四种新品种光纤,光纤特性更趋完善。

  3.1 非零色散位移单模光纤(第三、第四窗口)

  为抑制密集波分复用(DWDM)系统中的四波混频(FWM)和交叉相位调制(XPM),减小光通道间的非线性干扰,非零色散位移光纤(WZDSF)在1993年问世了。先是朗讯推出真波光纤,接着康宁推出了大有效面积LEAF光纤。这些光纤一开始工作在第三窗口,即C波段(1530-1565nm),1995年后扩展到第四窗口,即L波段(1565-1625nm)。1996年ITU-T制定了G.655标准。1998后在全世界得到广泛应用。以后光纤特性逐渐提高,标准也在不断趋向完善。

  3.2 低水峰单模光纤G.652C(第五窗口)

  朗讯1998年推出了全波光纤即低水峰光纤,使1383nm的水峰几乎不存在(衰减〈0.31dB/km〉,打开了光纤的第五窗口,即E波段(1360-1460nm)。中国1999年开始用全波光纤做光缆,用于九江电信。2000年ITU-T制定了G.652C标准。2001年康宁做出了低水峰光纤。2002年G.652C光纤在全世界推广开来。从此单模光纤从1260nm至1625nm波长范围内,具有优异的衰减性能。2002年5月ITU-T对于单模光纤通信系统光波段划分为O、E、S、C、L、U。多模光纤850nm称为第一窗口,单模光纤O带为第2窗口,C带称第3窗口,L带为第4窗口,E带为第5窗口。把多模光纤和单模光纤的通信波段汇总起来可列出下表。

  光纤的传输损耗和波长关系

  单模光纤从O→L波带传输信号,U带传送维护信号。

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