光纤通信的展望

发布时间：79年11月28日

桥爪敏二贝渊俊二编译华卫

一、光纤通信的出现

用光传递信息的思想开始于古代烽火台。然而光通信达到正式研究阶段，不管怎么说也是在1960年由红宝石棒向空间发射相干光，即激光的发明以来开始的。但是，通过怎样的方法来传递激光却成了问题。于是提出了各种各样的传输介质的想法。如在空中传输（遇到雨、雾天气时衰减大），中空波导管传输（对金属内表面高精度的加工和弯曲都很困难），用棱镜或镜面的光波导管传输（它是利用光的折射来补偿扩散的观点，但装置的高精度要求和弯曲也很困难），各种感应体波导管传输（它没有出现低损耗的希望），气体透镜波导管传输（它利用在气体中维持的热分布、气体的折射率分布而掩蔽光的方法，这种波导管在中心部分具有高折射率，而在边缘部分具有低折射率）等等。其中，气体透镜波导管的构思有热分布控制等困难，所以还没有达到能够使用的要求，但是作为光波导，用维持折射率分布的方法来传输光的这种思想，已成为今天梯度型光纤基本结构的基础。

在光波导研究盛行的时候，光纤的传输损耗极大，每公里数百至一千分贝，于是一般认为用光纤来通信没有实用价值。但是1966年英国标准电信实验室（STL）的研究人员Charles、Kao和G、A、Hockman分析了玻璃损耗的原因，指出有降低光纤传输损耗的充分可能性，首先提出了用光纤作为通信传输线路是有希望的意见。1970年，美国康宁玻璃公司成功地制造了损耗20分贝/公里的光纤，这就使得光纤通信一下子作为现实的研究课题出现了。另外，在同一年里，半导体激光器最初实现了在常温下的连续振荡，这也是光通信发展史上出现的重要事件。

以后，各国以光纤的低损耗，半导体激光器的长寿命为中心开展关于光纤通信的研究，取得了今天的惊人成果。各国以已取得的成果为基础，向实用化方向努力发展，进行各种现场试验，因此光纤通信的实用化阶段也愈来愈迫近了。

二、技术发展的动向

以日本电报电话公司为代表来回顾一下光纤通信的发展过程，这就是：在六十年代前半期，用透镜波导管研究激光的传输；其后，1970年研制成低损耗的光纤，从这时起，光纤制造技术就得到迅速的发展，取得了一系列显著成果，如极低损耗光纤的获得，气相轴向淀积法的出现等。1976年在通信研究所内进行了梯度型光纤光缆的传输实验，传输速度为32兆毕/秒；1978年3月又在东京用48芯梯度型光缆在20.8公里距离内进行了现场试验。表；列出了直到目前的发展历史。

从表1可看出光纤通信目前差不多已达到实用化的阶段，但要使光纤通信今后更大规模地发展，必须突破以下几个技术关键问题。

1. 光纤

光纤按材料进行分类，有石英系光纤，多组分光纤等。但用于公用通信的光纤要求传送特性、机械特性和可靠性等都较高，目前认为只有石英系光纤才能满足。石英系光纤的有希望制造方法是化学气相淀积法（CVD法）和气相轴向淀积法（VAD法）。

日本电报电话公司研究的CVD法是内部化学气相淀积法，从1975年正式开始研究，1976年春在波长为1.2微米时，光纤损耗达到0.47分贝/公里（0.85微米时达到1.5分贝/公里），制成了世界上损耗最低的光纤，这几乎接近光纤最低损耗的理论极限。日本通过对由于OH基的吸收损失的研究，掌握了长波长区域（1微米以上波长光的总称）光纤低损耗的特性。

在目前现场试验的光纤通信系统中，所用的光纤大部分是由内部化学气相淀积法制造的梯度型光纤，它显示出1公里的平均传送带宽为820兆赫，平均损耗为2.8分贝/公里的极优良特性，因此这种制造技术差不多已经可以肯定。

在CVD法中，预成形制造过程是分批处理的，但日本电报电话公司通信研究所研究的VAD法是能连续制造的，适合于大批生产。这种方法可以期待成为石英系光纤的低成本制造法。在0.85微米附近的短波带，已得到和CVD法几乎同等程度的损耗特性，但传送带宽不如CVD法，在1公里距离内，为200~300兆赫。

今后，通过消除OH基，以达到长波长区域的低损耗和宽频带传送等特性。这样，同时还要解决从原料的淀积工序到预成形制造，拉丝和二次被涂覆工序的连续制造技术，这也是最大的研究课题。

光纤研究发展上的另一个重要问题，是对光纤的结构和尺寸要制定其必要参数的国际统一规格，即国际标准化。而光纤结构进行最佳设计的检验，要在这个国际标准上反映出来。

另外，超过目前重点发展的多模光纤特性界限的作为超宽频带传送用的光纤是单模光纤。单模光纤的芯径比多模光纤差不多细一个数量级（数微米左右），损耗特性依赖于波长，截止特性由芯径、折射率等来决定，故与多模光纤比较，制造时要求精度更高的控制技术。还有，单模光纤和光源的耦合，光纤相互_之间的连接等有关技术的成熟程度也是极为重要的。

2. 半导体激光器的长寿命化

光纤通信用的电-光转换元件有激光器和发光二极管，其中半导体激光器的输出功率要大，又易制成小型化，这是最有希望能实现的，但目前实用的半导体激光器，其寿命未必很好。

1977年前后，由美国贝尔实验室和日本电报电话公司通信研究所研制的半导体激光器在常温下的寿命推定接近100万小时，但这不是目前所有半导体激光器都保证能达到的寿命。在通常使用的状态，目前一定能够达到的寿命大约是1万小时，而用于长距离传送的中继器的半导体激光器至少必须达到10万小时左右的寿命。所以，目前正在集中力量研究半导体激光器的长寿命化。研究工作已进展到能掌握其恶化机理的程度，以逐步提高器件的寿命。此外还研究了通过监视阀电流来进行维护等一些方法。

3. 发展长波长带

迄今所进行的各种实验系统，主要用于0.85微米附近的波长，这一波长带的研究已进入实用化阶段。但正如以上所述，由于除去OH基的成功，又掌握了长波长区域的低损耗特性，因而有可能开始进行长波长带的发光和接收光的元器件的研究。

在发光光源中，发光二极管已达到在实验室能很好使用的水平。半导体激光器是以研制GalnAsP型为中心的。目前寿命最高可达到数千小时，但随着温度变化引起特性显著恶化等问题的研究还需要相当一段时间。

接收光的器件有锗（Ge）的光电二极管，但在短波长带不比硅光电二极管特性好。目前在开始研究用In Ga As等多元化合物制的光电二极管，但在短波长带的实现还需要一段时间。

4. 光的多路及双向传输

在多种光共用一根光纤的光多路中有代表性的，看来是利用不同波长的光的波长多路方式（WDM）。在波长多路中，不需展宽每种波长所需的传输带宽就可以实现大容量化，还可以构成经济的光缆传输方式。此外，很大的优点是选择调制方式不受同时传输的其它波长信号的约束，而且容易实现使用同一光纤的双向传输。

作为这项技术基础的是光的耦合，分波器和不同波长发光光源的研究。分波器有利用棱镜、光栅、干涉膜滤光器等种种，每个都有一长一短，差不多在同时研制。耦合器除使用与分波器同样的东西外，利用半透镜和仅用光纤的对接也是可能的。

目前能实现的合理多路光一般都是3~4路，今后的发展方向是对3~4路方式进行彻底的简化，并研究10路或10路以上的路数。前者，能获得眼前的经济效果和设计方式上的灵活性，而后者对于光纤的有效利用或特性的使用方法是必要的，是技术发展的未来趋向。

5. 光纤的连结技术及连结器

光纤的连结技术是决定光纤通信实用化的重要技术之一，它要求数微米以下的光纤能正确地使位置对准的控制技术。

日本电报电话公司改进了过去的V型槽法，同时在世界上最早研制成半自动化的预热熔接法，使稳定而损耗小的连接成为可能。同时还研制了光纤切断器。

今后的研究课题是对目前的单芯连接进行改进，追求多芯连接的可能性以及操作过程中的自动化和简单化。

另外，光纤用的连接器要求能正确而经济地将光纤芯线引出。目前已研制了在现场能进行操作的连接器，并期待着今后的实际效果。

作为未来光纤连接技术和连结器的共同课题有：光纤的成批切断和终端处理，连结器的系统化和标准化。

四、展望未来的光纤通信

光纤通信要引入公用通信网，必须正确地评论和解决下述三个问题：（1）技术的发展程度＞（2）经济性；（3）和外部条件的适应性（匹配）。

和外部条件的适应，具体包括与以图像服务为中心的非电话系统宽频带服务要求相适应，与通信网的数字化计划相适应，与扩充现有设备相适应，特别是与根据各国研究动向属于先进的技术相适应等等。在现阶段，这些条件中有些能估计到的，而大部分还难于估计到。

在这里，综合考虑这些条件，展望今后十年乃至十五年的发展而采取的步骤。

初期推广用于公共通信的领域，看来是局间中继线（包括以城市为中心的一些无中继传输的市外线路）以及市外直通联接局之间等短距离区间通信。因为在这些区间通信量多又无中继化，就不需要由于设置中继线而在入口等处装复线，故而效果显著。目前在这些区间，已实现了连续电视会议系统和图像应答系统等图像信号的模拟传送。

另外，在局外中继方式方面，对高速传送所必不可少的半导体激光器寿命还不十分好，为考虑到和长波长带技术的结合，要研究它的推广应用。

此外，单用发光二极管（LED）等简易电 - 光变换，速率为32兆毕/秒的架空线传送，计算机装置间的传送，还有不同楼面、新局-旧局间那样的局内传送，短区间内部的传送，这些大概也会比较早地实现。

这个时期同时也是作为光纤通信黎明时期和巩固与光纤通信有关外围技术的时期。例如，研究测定法和连续法、连接器等基本的共同技术。

如果把这些技术作为第一期光纤通信的采用方式，那么第二期的发展情况就是：发展0.85微米频带的激光器在电信局以外用，大大提高其可靠性；长波长激光器可能在电信局内使用；3~4路的波长多路方式也将达到实用化的水平，光纤批量生产的技术也已差不多确立。

在这一阶段，长波长带技术也将积极采用，跟城市规模无关的市内传送线路的光纤化也前进了一步。同时，不仅数字方式，就是图像信号等模拟传送也将广泛适用，一部分也考虑应用波长多路方式。还有，在用户系统中，由于新服务项目需要增加，以简单的模拟传送开始，发展到采用波长多路方式等，直到相当积极地研究全光化。

另外，在市外区间，可能实现不用中继器达到100公里的长距离传送方式，海底光缆传送方式也有可能实用化。至于局内传送方式，将不仅仅是架空传送，而且能应用传送线路自动切换装置，以及分时交换机的传送——交换界面装置等局内传送系统。

如上所述，第二期涉及的范围是很广的，是光纤通信开始发挥其威力的时期。

光纤通信的第三期是更加活跃发展的时期。在这一时期，预料是：长波长带的器件也达到长寿命化，单模纤维将容易制得，与此同时，集成光学技术将取得进展，波长多路方式也得到二位数的多路数。有了这样的技术，就能实现1000兆毕/秒以上的大容量和真正的远距离传送，同时还能实现海底中继方式等，另外，由于新服务项目需要扩大，用户系统也正式采用光纤，再加上集成光学技术的成熟，光开关器件的应用等，就能预见到整个公用通信网系统的全光化。概括上面所述内容，可列成表2所示。