稀土在通信領(lǐng)域主要用來制作稀土摻雜光纖，尤其是摻鉺光纖放大器。

說起通信，我們自然而然會想到電話，但一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話，鋪設(shè)1000千米的同軸電纜大約需要消耗500噸銅，不僅容量太小，還要耗費大量資源，所以美、日、英、法等20多個國家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路。

現(xiàn)代社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，信息傳輸與交換量與日俱增，傳統(tǒng)的通信方式遠遠不能滿足人們的需要。為了擴大通信容量，通信方式已從中波、短波發(fā)展到毫米波、微波，通過不斷提高通信載波頻率來滿足要求。頻率再高就到光波波段了，光波是人們最熟悉的電磁波，與其他波段的電磁波相比，其特點是波長短。用光傳遞信號，優(yōu)點是容量大，是微波的百萬甚至千萬倍。用光波作為載波進行通信，通信容量將大大超過傳統(tǒng)通信方式。

要發(fā)展光通信，最重要的問題就是要尋找適用于光通信的光源和傳輸介質(zhì)。普通光的頻率很多，難以攜帶信息，激光的出現(xiàn)解決了這個問題。和普通光相比，激光具有高方向性、高相干性、高單色性等顯著優(yōu)點，與無線電波相似，是一種理想的光載波。光在普通介質(zhì)中傳播會損耗太多能量，光導(dǎo)纖維應(yīng)運而生。光在光纖的傳導(dǎo)損耗比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，且不受雷擊影響或電磁干擾，適合長距離傳輸。所以光纖通信就是利用激光在光導(dǎo)纖維中傳輸信息的通信方式，將要傳送的圖像、數(shù)據(jù)等信號調(diào)制到光載波上，以光纖作為傳輸媒介的通信方式，所以又稱為激光-光纖通信。作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優(yōu)點。

2014年9月我國 “超高速超大容量超長距離光傳輸基礎(chǔ)研究”國家973項目驗收時，在國內(nèi)首次實現(xiàn)一根普通單模光纖中以超大容量超密集波分復(fù)用傳輸80千米，傳輸總?cè)萘窟_到100.23Tb/s，相當(dāng)于12.01億對人在一根光纖上同時通話。當(dāng)然，如果按照理論計算，一對細(xì)如蛛絲的光纖可以同時通一百億路電話！

而鋪設(shè)1000千米的光纖只需幾千克石英就可以。石英的化學(xué)成分就是二氧化硅，沙石中多的是，可以說是取之不盡，用之不竭的。

所有這些，源于被譽為 “光纖通信之父”的英籍華人科學(xué)家——高錕博士在1966年發(fā)表的一篇論文—— 《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》。這篇著名的論文奠定了光纖通信的基礎(chǔ)，從此，光通信發(fā)展就進入了快車道，勢頭非常迅猛，結(jié)果遠遠超乎人們的想象，直接引領(lǐng)通信領(lǐng)域發(fā)生了革命性變化。短短40多年時間，光纖通信技術(shù)取得了極為驚人的進步，光纖通信已經(jīng)遍及世界各地，與人們的日常生活息息相關(guān)，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要支柱。

光纖由纖芯、包層和護套三部分組成。纖芯和包層構(gòu)成傳光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，護套起保護作用。纖芯的折射率大于外套的折射率，光由一端進入，在纖芯和包層的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。只要入射角滿足一定的條件，光束就可以在這樣制成的光纖中彎彎曲曲地從一端傳到另一端，而不會在中途漏射。光纖直徑只有1～100μm左右，不僅重量輕、成本低、敷設(shè)方便，且容量大、抗干擾、穩(wěn)定可靠、保密性強。一根光導(dǎo)纖維只能傳送一個很小的光點，如果把數(shù)以萬計的光纖整齊地排成一束，并使每根光導(dǎo)纖維在兩端的位置上一一對應(yīng)，就可做成光纜。用光纜代替電纜通信具有無比的優(yōu)越性。比如20根光纖組成的像鉛筆粗細(xì)的光纜，每天可通話7.6萬人次，而1800根銅線組成的像碗口粗細(xì)的電纜，每天只能通話幾千人次。因此光纜正在取代銅線電纜，廣泛地應(yīng)用于通信、電視、廣播、交通、軍事、醫(yī)療等許多領(lǐng)域，光纖也被譽為信息時代的神經(jīng)。

圖14-1 光纖通信之父—高錕

圖14-2 光纖

圖14-3 光纜及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖14-4 摻鉺光纖放大器

光纖按原材料可分為玻璃光纖、晶體光纖和塑料光纖三大類，玻璃光纖有石英玻璃光纖、氟化物玻璃光纖和硫系玻璃光纖，此外還有多種特殊光纖，如雙折射光纖、衰減場光纖、摻稀土元素的光纖等。這些具有不同性能的光纖，不僅用于信號傳輸，還廣泛用于信號的處理和獲取。其中石英玻璃光纖的優(yōu)點是損耗低，當(dāng)光波長為1.0～1.7μm（約1.4μm附近），損耗只有1d B/km，在1.55μm處最低，只有0.2d B/km。玻璃具有可塑性好、易制作、成本低等優(yōu)點，便于光纖的批量生產(chǎn)，滿足光通訊網(wǎng)迅速增長的需求。在這些光纖中，摻稀土元素的光纖由于具有光放大的特性，能滿足長途光纖通訊網(wǎng)中繼器的要求，成為國際上爭相研究的熱點。這種光纖是以非晶態(tài)物質(zhì)玻璃為基質(zhì)，在其中摻入一定量的稀土離子。稀土離子能級豐富，能發(fā)出各種波長的光，在不同的基質(zhì)環(huán)境中發(fā)出光的波長不同。摻雜稀土離子的石英光纖具有很好的激光特性，在光纖的纖芯中，可摻雜鉺、釹、鐠等稀土族元素。通過不同的摻雜，可控制低損耗窗口的波長位置，提供新的光通信波長。這些優(yōu)點使得稀土摻雜的玻璃材料在現(xiàn)代光纖通信中應(yīng)用前景廣闊。摻鉺光纖放大器在光纖通訊中的大量應(yīng)用就是一個成功的事例。

光信號在光纖中傳輸時，不可避免地存在著一些能量損耗和色散損耗，導(dǎo)致光信號能量的降低，色散導(dǎo)致光脈沖展寬，因此每隔一段距離就要設(shè)置一個中繼器，以便對信號進行放大和再生后繼續(xù)傳輸。能用于光纖通信的光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器和摻稀土金屬光纖放大器，特別是摻鉺光纖放大器 （EDFA）備受青睞。

傳統(tǒng)的光電光中繼器，其工作原理是先將接收到的弱的光信號經(jīng)PIN或APD轉(zhuǎn)換成電流信號，并對此信號進行放大均衡判決再生等技術(shù)，以便得到一個性能良好的電信號，最后再通過半導(dǎo)體激光器進行電光轉(zhuǎn)換，重新發(fā)送到下一段光纖中去。但這種傳統(tǒng)的方法在一定程度上卻滿足不了現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆?/p>

早在1960年激光器發(fā)明不久，人們就開始了對光放大器的研究，但真正開始實用化的研究是在1980年以后。隨著半導(dǎo)體激光器特性的改善，首先出現(xiàn)了法布里-泊羅型半導(dǎo)體激光放大器，接著開始了對行波式半導(dǎo)體激光放大器的研究。半導(dǎo)體激光放大器尺寸小，頻帶很寬，增益也很高，但其最大的弱點是與光纖的耦合損耗太大，且易受環(huán)境溫度影響，因此穩(wěn)定性較差。80年代后期，摻稀土元素的光纖放大器脫穎而出，并很快達到實用水平，在越洋的長途光通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了拉曼光纖放大器，它有可能成為下一代光放大器的主流。

1985年，英國南安普頓大學(xué)的佩恩等率先發(fā)現(xiàn)摻雜稀土元素鉺的光纖有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象，從此揭開了摻鉺等光放大的面紗，成為光纖通信中最偉大的發(fā)明之一，甚至可以說是當(dāng)今長距離信息高速公路的 “加油站”。現(xiàn)在已經(jīng)實用的1.55μm EDFA就是利用摻鉺的單模光纖，利用1.47μm的激光進行激勵，得到1.55μm光信號放大的。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入少量稀土元素鉺離子（Er3+），它是放大器的核心。

人們不禁要問，科學(xué)家為什么會想到在光纖放大器中利用摻雜鉺元素來提高光信號的強度呢？這是因為鉺是一種稀土元素，長期以來，人們就一直利用在光學(xué)器件中摻雜稀土元素的方法，來改善光學(xué)器件的性能，所以這個偉大發(fā)明的出現(xiàn)也就不是偶然的了。

鉺在地殼中的豐度只有3.8×10-6，僅相當(dāng)于釹的1/10，俗話說，物以稀為貴，鉺也算稀土中較貴的，但比起其他重稀土元素來說，鉺的豐度僅次于釔和鏑，甚至還超過輕稀土中的銪（2.1×10-6），所以鉺還是重稀土中富存較多的元素。鉺除了具有稀土元素共有的化學(xué)活性外，其光學(xué)特性也非常突出，為鉺在光電子材料和器件中的應(yīng)用提供了十分有利的條件。

鉺以三價離子形式參與作用，Er3+的電子層結(jié)構(gòu)為 ［Xe］4f115s25p66s0，即鉺失去2個6s電子和1個4f電子，5s和5p電子層沒有發(fā)生任何變化。由于鉺離子剩余的11個內(nèi)層4f電子會受到5s、5p形成的外層屏蔽作用，使得4f→4f躍遷的光譜特性不易受到宿主玻璃外場的影響，導(dǎo)致?lián)姐s光纖4f→4f躍遷產(chǎn)生的激光線形極其尖銳。由于摻雜的鉺離子分散于石英玻璃基質(zhì)之中，玻璃基質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本地場會對鉺離子產(chǎn)生微擾，使其譜線分離開來，即斯塔克效應(yīng)。這些分離的能級間能級差很小，形成了準(zhǔn)導(dǎo)帶。

摻鉺光纖放大器主要是由一段摻鉺光纖 （長約10～30m）和泵浦光源組成。它對光信號的放大原理與半導(dǎo)體激光器相同，即當(dāng)Er3+受到波長980nm或1480nm的光激發(fā)吸收泵浦光的能量后，由基態(tài)躍遷到高能級的泵浦態(tài)。由于粒子在泵浦態(tài)的壽命很短，很快以非輻射的方式由泵浦態(tài)馳豫到亞穩(wěn)態(tài)，粒子在該能帶有較長的壽命，逐漸積累，形成激光系統(tǒng)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。當(dāng)有1550nm信號光通過時，亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)，也正好發(fā)射出1550nm波長的光。這種從高能態(tài)躍遷至基態(tài)時發(fā)射的光補充了衰減損失的信號光，從而實現(xiàn)了信號光在光纖傳播過程中隨著衰減又不間斷地被放大。將鉺摻入普通石英光纖，配以980nm或1480nm兩種波長的半導(dǎo)體激光器，就基本構(gòu)成了直接放大1550nm光信號的放大器。研究表明，摻鉺光纖放大器通常可得到15～40d B的增益，中繼距離可以在原來的基礎(chǔ)上提高100km以上。

石英光纖可傳送各種不同波長的光，但光衰率不一樣，1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低 （僅為0.15d B/km），幾乎達到了衰減率的下限。因此，光纖通信以1550nm波長的光作信號光時，光的損失最小。光纖中只要摻雜幾十至幾百 （×10-6）的鉺，就能夠起到補償通訊系統(tǒng)中光損耗的作用，如此微量的鉺摻雜所產(chǎn)生的效果，真正體現(xiàn)了稀土元素作為新材料技術(shù)中 “工業(yè)味精”的作用。摻鉺光纖放大器就如同一個光的 “泵站”，使光信號一站一站毫不減弱地傳遞下去，從而順暢地開啟了現(xiàn)代長距離、大容量、高速光纖通信的技術(shù)通道。摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。摻鉺光纖放大器克服了電子光纖中繼器許多缺點。只需在線路上設(shè)1～2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100～200km。由于摻鉺光纖放大器具有增益高、頻帶寬、噪聲低、效率高，連接損耗低，偏振不靈敏等特點，近年來得到了飛速發(fā)展，成為光放大器研究發(fā)展的主要方向，極大地推動了光纖通信技術(shù)的發(fā)展。

從20世紀(jì)80年代后期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大突破，使光纖傳輸?shù)木嚯x越來越長，并且開創(chuàng)了波分復(fù)用 （WDM）技術(shù)。波分復(fù)用是指在一根光纖上使用不同的波長同時傳送多路光波信號的一種技術(shù)。這極大地增加了光纖通信的容量，使之成為當(dāng)前光纖通信中應(yīng)用最廣的光放大器件。摻鉺光纖放大器問世后不到幾年，就從實驗室研究迅速走向?qū)嵱没?，并在越洋長途光通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在1990年到1992年不到兩年的時間里，光纖系統(tǒng)的容量就增加了整整一個數(shù)量級。在此之前，為達到相同的增長卻花費了整整8年時間，充分顯示了摻鉺光纖放大器的巨大作用，也為光纖通信展現(xiàn)了無限廣闊的發(fā)展前景。摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)和應(yīng)用改變了光纖通信發(fā)展的格局，已成為光纖通信、有線電視、光信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一。

圖14-5 單模光纖

圖14-6 雙模光纖

圖14-7 單、雙波分復(fù)用系統(tǒng)的工作原理

光纖放大器的作用還表現(xiàn)在，能夠代替原有傳輸系統(tǒng)中的電再生中繼器，特別是在海纜傳輸系統(tǒng)中，由于建設(shè)成本高，增大傳輸距離和減少中繼器一直是海底光纜所要解決的難題，采用光纖放大器可以有效地解決這兩個問題。采用光纖放大器，可以把該波段內(nèi)所有波長的信號同時放大，還能對對多個信道提供增益，且增益不受信號偏振的影響，在高速率多信道的系統(tǒng)中不會產(chǎn)生串?dāng)_，在高速傳輸系統(tǒng)中也不會產(chǎn)生脈沖失真，省去了原來復(fù)雜的電中繼設(shè)備，使其建設(shè)費用越來越低。在光纖接入網(wǎng)中，有FTTH（光纖到家）、FTTO（光纖到辦公室）、FTTB（光纖到樓）、FTTC（光纖到路邊）等多種方式，光纖終端的分支較多，一般分級每增加一倍，光功率會下降3d B，最后到達用戶的光功率會比較低，甚至?xí)斐山K端無法工作。采用光纖放大器后發(fā)出的功率增加，可以補償線路的損耗，即使經(jīng)過許多分支后用戶端仍能正常接收。所以稀土光纖激光材料在降低光通信的損耗、光纖鋪設(shè)成本方面起著重要作用，其開發(fā)和應(yīng)用促進了光纖通信的發(fā)展和普及。

制作光纖時，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或釹等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻釹光纖。摻鐠的氟化物光纖放大器 （PD-FA）正在開發(fā)中，這種光纖放大器工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90%都工作在這一窗口。PDFA對現(xiàn)有光通信線路的升級和擴容有重要的意義，已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但由于其泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對溫度敏感，離實用還有一段距離。有一種含有Er3+和Pr3+兩種稀土離子的玻璃光纖，該光纖可在1300nm和1550nm波長下使用，與僅含一種稀土離子的光纖放大器相比較，能提高光纖放大器的光放大效率。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm及1330nm，由于偏離光纖通信最佳窗口及其他一些原因，其發(fā)展及應(yīng)用受到限制。另外，還有高增益、低損耗、高度透明的Er3+全氟稀土聚合物材料，它是將硅玻璃氟化，其損耗小于5d B/km，可用于通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中光纖和波導(dǎo)放大器。這些高度氟化的玻璃具有比I型和II型硅玻璃有更寬的Er3+發(fā)射寬度，從而提高了多信道放大器性能。

光纖通信與以往的電氣通信相比，主要區(qū)別在于它有很多優(yōu)點：傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。下面我們逐一進行介紹。

頻帶寬：頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。載波的頻率越高，可傳輸信號的頻帶寬度就越大。在VHF頻段，載波頻率為48.5～300Mhz，帶寬約250MHz，只能傳輸27套電視和幾十套調(diào)頻廣播。可見光的頻率達100000GHz，比VHF頻段高出一百多萬倍。研究表明，在光纖的1.31μm窗口中低損耗區(qū)為1.26～1.36μm，帶寬約100nm，在1.55μm窗口中低損耗區(qū)為1.48～1.58μm，帶寬也是100nm。所以，盡管光纖對不同頻率的光有不同的損耗，使頻帶寬度受到影響，但在最低損耗區(qū)的頻帶寬度也可達30000GHz。目前單個光源的帶寬只占了其中很小的一部分，采用先進的相干光通信可以在30000GHz范圍內(nèi)安排2000個光載波，進行波分復(fù)用，可以容納上百萬個頻道。

損耗低：在同軸電纜組成的系統(tǒng)中，最好的電纜在傳輸800MHz信號時，每千米的損耗都在40d B以上。相比之下，光導(dǎo)纖維的損耗則要小得多，傳輸1.31μm的光，每千米損耗在0.35d B以下。若傳輸1.55μm的光，每千米損耗更小，可達0.2d B以下。這就比同軸電纜的功率損耗要小一億倍，使其能傳輸?shù)木嚯x要遠得多。

重量輕：光纖非常細(xì)，單模光纖芯線直徑一般為4～10μm，外徑也只有125μm，加上防水層、加強筋、護套等，用4～48根光纖組成的光纜直徑不到13mm，比標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的直徑47mm要小得多，加上光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點，安裝十分方便。

抗干擾能力強：光纖的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶艌龅挠绊?，故光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力。所以在光纖中傳輸?shù)男盘柌灰妆桓`聽，有利于保密。

保真度高：光纖傳輸一般不需要中繼放大，不會因為放大引來新的非線性失真，只要激光器的線性好，就能高保真地傳輸電視信號。

工作性能可靠：一個系統(tǒng)的可靠性與組成該系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量有關(guān)，設(shè)備越多，發(fā)生故障的機會越大。因為光纖系統(tǒng)包含的設(shè)備數(shù)量較少，不像電纜系統(tǒng)那樣需要幾十個放大器，可靠性自然高，加上光纖設(shè)備的壽命都很長，無故障工作時間達50～75萬小時，其中壽命最短的是光發(fā)射機中的激光器，最低壽命也在10萬小時以上。故一個設(shè)計良好、正確安裝調(diào)試的光纖系統(tǒng)的工作性能是非?？煽康?。

成本不斷下降：光通信技術(shù)的發(fā)展，為因特網(wǎng)寬帶技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，也為大型有線電視系統(tǒng)采用光纖傳輸方式掃清了最后一個障礙。由于制作光纖的材料即石英來源十分豐富，隨著技術(shù)的進步，成本還會進一步降低。而電纜所需的銅原料有限，銅礦資源被不斷消耗后，金屬銅的價格會越來越高。

總之，光纖傳導(dǎo)光的能力非常強，能利用光纜通訊，能同時傳播大量信息。一條光纜通路可同時容納數(shù)十億人通話，也可同時傳送多套電視節(jié)目。光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通訊質(zhì)量高，能防竊聽。光纜的質(zhì)量小而細(xì)，不怕腐蝕，鋪設(shè)也很方便，因此是非常好的通訊材料。目前許多國家已使用光纜作為長途通訊干線。

光纖通信從研究到應(yīng)用、發(fā)展非常迅速，技術(shù)上不斷更新?lián)Q代，通信能力 （傳輸速率和中繼距離）不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。從技術(shù)的角度講，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到第四代，其中第一代為短波長光纖通信系統(tǒng)，第二代為長波長1.3μm的多模光纖和單模光纖通信系統(tǒng)，第三代為長波長1.5μm單模光纖通信系統(tǒng)，第四代是相干光纖通信或外差光纖通信。

光纖除了可以用于通訊外，還可以用于醫(yī)療、軍事、信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等許多方面。例如，可將光纖內(nèi)窺鏡導(dǎo)入心臟，測量心臟中的血壓、溫度等。在能量和信息傳輸方面，光纖也得到了廣泛的應(yīng)用，如光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖陀螺儀已成為國防和航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

光纖通信小史

光通信是利用光波來傳送信息的，早在三千多年前人們就開始利用光進行通信。中國古代的烽火通信就是利用火光來傳遞軍事情報，使用的設(shè)施是烽火臺，烽火通信雖然設(shè)施簡陋，卻包含了現(xiàn)代光通信的基本要素。烽火通信的光源是烽火，接收器是人眼，在烽火通信中，被調(diào)制的火光信號只有兩種狀態(tài)，即有火光和無火光，有火光表示有敵入侵，無火光表示沒有軍事情況。烽火通信的光通道是地球表面的大氣。

古代的玻璃吹制藝人很早就觀察到光在透明介質(zhì)中通過多次全反射向前傳播的現(xiàn)象，但首次科學(xué)闡述這一現(xiàn)象的是英國物理學(xué)家約翰·丁鐸爾，他在向英國皇家學(xué)會演示的一個著名實驗中，用一只盛滿水的器皿，讓水從器皿的側(cè)孔中流出時，投射在水中的光也隨著水流傳導(dǎo)出來。

1880年，威廉·惠勒提出 “管道照明”的設(shè)想，并獲得美國專利，成為有案可查的最早的 “遙控照明”裝置。其基本原理是利用內(nèi)壁涂有反射層的管子，把中心光源的光像自來水一樣引至若干個需要照明的地點，這實際上是光纖用于照明的雛形，光纖照明系統(tǒng)可看作是和上述的 “管道系統(tǒng)”相類似的一個系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，所傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光，而用以傳輸光的 “管道”是光纖。

1881年，貝爾發(fā)表了著名的 《關(guān)于利用光線實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生與復(fù)制》論文，現(xiàn)代光通信起源于貝爾發(fā)明的 “光電話”。貝爾的光電話是以弧光燈為光源，通過透鏡將弧光燈發(fā)出的光聚焦在送話器的音膜上，音膜隨著說話人聲音的強弱及音調(diào)不同而作相應(yīng)的振動時，從音膜上反射出來的光的強弱也隨之變化。這種被聲音信號調(diào)制的光通過大氣傳播一段距離后，被一個大型拋物面鏡接收，在拋物面鏡的焦點上放著一個硅光電池，硅光電池就是一個光探測器，能將射在其上面的光轉(zhuǎn)換成電信號，這個電信號的強弱及變化頻率，恰好能反映原來用于調(diào)制光信號的聲音的強弱及頻率。這個電信號被送進受話器，還原成原來的聲音，從而完成了整個通信過程。遺憾的是貝爾的光電話沒有真正的實用價值，因為貝爾的光電話裝置在晴天時通話距離可達數(shù)千米至十幾千米，但當(dāng)氣候不好，如大霧天氣、下雨或下雪時，光電話常常不能通話。

光電話問世后，由于存在兩個限制光通信發(fā)展的瓶頸，一個是光源，另一個是傳輸介質(zhì)，所以光通信的發(fā)展很慢，這種情況一直延續(xù)到20世紀(jì)60年代。

光纖自身不能發(fā)光，但光纖可以傳光，用于照明。1954年， 《自然》雜志發(fā)表了Hopkin’s和Kapany成功地用一束纖維來傳輸圖像的文章，Van Heel發(fā)現(xiàn)低折射率光纖包層的作用，纖維的圖像傳輸?shù)某晒崿F(xiàn)和光纖包層的提出，這兩個進步標(biāo)志著光導(dǎo)纖維作為一個新興學(xué)科的誕生。

1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。激光器發(fā)出的激光與普通光源發(fā)出的光相比，其光束的強度很高，方向性極好，光譜的范圍小，相位和頻率一致性好，其特性和無線電波類似，是一種理想的通信載波，可用來攜帶信息進行長距離傳輸。激光器的出現(xiàn)使得光通信進入了一個嶄新的階段。

1963年，英籍華人科學(xué)家高錕著手對玻璃纖維進行理論和實用方面的研究工作，并設(shè)想利用一種玻璃纖維傳送激光脈沖以代替用金屬電纜輸出電脈沖的通訊方法。三年后即1966年，高錕和G.A.Hockham發(fā)表了十分著名的論文 《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，該文從理論上分析和證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光纖通信用的可能性，并設(shè)計了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié) （即階躍光纖），更重要的是，他科學(xué)地預(yù)言了制造光纖用的超低耗光纖的可能性，即加強原材料的提純，加入適當(dāng)?shù)膿诫s劑，可以把光纖的衰耗系數(shù)降低到20d B/km以下。他們從理論上指出：如果減少或消除光導(dǎo)纖維中的有害雜質(zhì)如過渡金屬離子，可大大降低光纖傳輸損耗，提高光纖的傳光能力，從而推動光纖制造工藝的研究，并指出了利用光纖進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。

當(dāng)時世界上只能制造用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)方面的光纖，其衰耗系數(shù)在1000d B/km以上。制造在20d B/km以下的光纖，被認(rèn)為是可望而不可即。所以當(dāng)時的主流科學(xué)家都認(rèn)為，基于極高的損耗，光纖雖然可用在短短的胃鏡導(dǎo)管上，但用于長距離通信根本不可能，也幾乎無人相信世界上會存在無雜質(zhì)的玻璃。

但行為及思想常常出人意表的高錕卻堅信自己的理論，他像傳道一樣到處推銷他的信念，他遠赴日本、德國，甚至美國大名鼎鼎的貝爾實驗室。終于在1981年，經(jīng)過他的不懈努力，第一個光纖系統(tǒng)面世。從此，比人的頭發(fā)絲還要纖細(xì)的光纖取代了體積龐大的千百萬條銅線，成為傳送容量接近無限的信息傳輸管道，徹底改變了人類的通訊模式。

后來事實的發(fā)展證明了高錕文章的理論性和科學(xué)大膽預(yù)言的正確性，這篇文章被譽為光纖通信的里程碑，高錕也被譽為 “光纖通信之父”，并榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

1970年，在高錕理論的指導(dǎo)下，美國康寧玻璃公司根據(jù)文章的設(shè)想，研制出當(dāng)時世界上第一根超低損耗光纖，成為使光纖通信爆炸性競相發(fā)展的導(dǎo)火索。雖然當(dāng)時康寧玻璃公司制造出的光纖只有幾米長，衰耗約20d B/km，且?guī)讉€小時后便損壞了，但它證明了用當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)與工藝方法制造通信用的超低損耗光纖是完全可能的，找到了實現(xiàn)低衰耗傳輸光波的理想傳輸媒體，是光纖通信研究的重大實質(zhì)性突破。1974年，貝爾實驗室發(fā)明了制造低損耗光纖的化學(xué)氣相沉積法 （MCVD），并成功地研制出了損耗為1d B/km的光纖。1976年日本電報電話公司研制出更低損耗的光纖，損耗下降為0.471d B/km。20世紀(jì)80年代后期，光纖損耗降到了0.154d B/km.

1970年后，世界各發(fā)達國家對光纖通信的研究傾注了大量人力與物力，其來勢之洶、規(guī)模之大、速度之快遠遠超出人們的意料，使光纖通信技術(shù)取得了極其驚人的進展。光纖技術(shù)以指數(shù)規(guī)律向前發(fā)展。

從光纖的衰耗看，1970年是20d B/km，1972年是4d B/km，1974年是1.1d B/km， 1976年是0.5d B/km，1979年是0.2d B/km，1979年是0.14d B/km，已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1d B/km。

1970年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)工作的砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器，為光纖通信找到了合適的光源器件。后來逐步發(fā)展到性能更好、壽命更長達幾萬小時的異質(zhì)結(jié)條形激光器和現(xiàn)在的分布反饋式單縱模激光器 （DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器也從簡單的硅PIN光二極管發(fā)展到量子效率達90%的Ⅲ-Ⅴ族雪崩式二極管APD。

從光纖通信系統(tǒng)看，正是光纖制造技術(shù)和光電器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理機技術(shù)的發(fā)展，帶動了光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長距離、從低水平到高水平，從舊體制 （PDH）到新體制 （SDH）的迅猛發(fā)展。

1976年，美國在亞特蘭大開通了世界上第一個實用化光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)采用Ga Al As激光器作為光源，多模光纖作為傳輸介質(zhì)，速率為45Mbit/s，中繼距離為10km，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到商業(yè)應(yīng)用的新階段。到如今傳輸速度已達到幾十Gbit/s。隨著技術(shù)的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴大，從初期的市話局間中繼到長途干線，進一步延伸到用戶接入網(wǎng)，從數(shù)字電話到有線電視，從單一類型信息傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務(wù)的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。

1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)采用漸變型多模光纖，速率為44.7Mb/s，隨后美國很快敷設(shè)了東西干線和南北干線，光纜總長達5萬千米。

1983年，日本敷設(shè)縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400千米。

1988年，建成第一條橫跨大西洋的海底光纜通信系統(tǒng)，全長6400千米。

1989年建成第一條橫跨太平洋海底光纜通信系統(tǒng)，全長13200千米。

1999年我國生產(chǎn)的8×2.5Gb/s WDM系統(tǒng)首次在青島到大連開通，隨后沈陽到大連的32×2.5Gb/s WDM光纖通信系統(tǒng)開通，2005年3.2Tb/s超大容量的光纖通信系統(tǒng)在上海至杭州開通，是當(dāng)時世界容量最大的實用線路。

2008年10月8日，連接亞洲和美洲大陸的首個太級海底光纜通信系統(tǒng)——跨太平洋直達光纜系統(tǒng)正式開通。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線長度約26000千米，初始容量為1.28Tb/s，設(shè)計容量為5.12Tb/s，能容納1920萬人同時通話，或者相當(dāng)于同時傳遞16萬路高清電視信號。

由于有了理想的光源和傳輸介質(zhì)，從此光纖通信進入了迅猛發(fā)展的階段，遠遠超出了人們的想象，掀起了通信領(lǐng)域的革命性變革。目前光纖通信已經(jīng)遍及世界各地，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要支柱，并且與人們的日常生活息息相關(guān)。每當(dāng)人們打電話、看電視、用傳真機發(fā)送文件、在商場里刷卡購物、用提款機取錢或在互聯(lián)網(wǎng)上沖浪，都是在使用光纖通信技術(shù)。光纖具有強大的運載信息能力，目前除了光纖通信系統(tǒng)，沒有其他途徑能夠滿足人們對帶寬日益增長的需求。光纖為電信行業(yè)帶來了巨大收益，并引發(fā)了許多革命性的變化。

從1970年到現(xiàn)在短短40多年時間，光纖通信技術(shù)取得了極為驚人的進展。用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體實現(xiàn)通信，這一幾百年來人們的夢想終于成為現(xiàn)實。光纖通信技術(shù)決定了接入、傳輸、信令、交換和聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在現(xiàn)代電信系統(tǒng)中的每個方面都起著關(guān)鍵性的作用，各種新興的技術(shù)和新型光器件層出不窮，“摻鉺光纖放大器 （EDFA）+波分復(fù)用 （WDM）+非零色散位移光纖 （NZ-DSF）+光電集成 （OEIC）”已成為國際上光纖通信的主要發(fā)展方向。但就目前光纖通信而言，其實際應(yīng)用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_發(fā)和利用。