摘要:本文从技术进步角度论述了世界光纤通信发展41年历史、中国光纤光缆发展30年历史。光纤从高锟的一个科学设想演变成当今世界信息传输的一种最主要 传输媒质,中国光纤光缆业从弱到强终成为世界制造大国,一幕幕壮观的历史画面中无不渗透着技术的不断进步,不断成熟与完善。

关键词:技术进步光纤 激光器 光纤通信 光纤传输窗口 光纤通信波段 光纤制造 光缆产业 光缆名牌 世界制造大国

纵观世界光纤通信发展41年的历史和中国光纤光缆发展30年的历史,可以发现,每次产业的发展进步都来自于光纤光缆技术进步的推动。

     一、光纤通信的启动

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。

频带

窗口

波长范围(nm)

频率范围(THZ

1

850(770-910)

O带(Orginal band)      原始波段

2

1260-1360

237.9-220.4

E带(Extended…)       扩展波段

5

1360-1460

220.4-205.3

S带(Short wavelength…)  短波长波段

1460-1530

205.3-195.9

C带(Conventional…)     常规波段

3

1530-1565

195.9-191.6

L带(Longer wavelenth…)  长波长波段

4

1565-1625

191.6-184.5

U带(Utralong wavelenht …)超长波长波段

1625-1675

184.5-179.0

光纤的传输损耗和波长关系如下图所示:

     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。

3.3 PMD问题提出,导致了单模光纤新品种的产生

90年代末,光通信速率提高到10Gb/s,在DWDM系统中光纤的偏振模色散PMD将限止光纤的传输距离。2000年ITU-T把G.652光纤分成 G.652A、G.652B、G.652C,把G.655光纤分成G.655A和G.655B。其中G.652A和G.655A不作PMD要 求;G.652B、G.652C和G.655B等光纤的PMD系数链路设计最大值PMDQ为0.5PS/KM1/2。由于G.652光纤的标准规范,产品 特性比较一致,而G.655光纤种类多且变化快,不少运营商宁用G.652光纤而不用G.655光纤。

2003年ITU-T又颁布了G.652的新标准,把G.652分为G.652A、G.652B、G.652C、G.652D。G.652A和 G.652C的PMDQ最大值为0.5PS/KM1/2,用于2.5G单通道SDH系统和10G以太网(40km)系统。G.652B和G.652D的 PMDQ最大值为0.2PS/KM1/2,用于10G单通道和多通道SDH系统和40G(局内应用)系统。

3.4 G.656光纤问世,非零色散位移单模光纤扩展到S波段

日本住友、藤仓、法国阿尔卡特等公司努力把非零色散位移光纤的波段扩展到S波段(1460-1530nm)。2004年ITU-T发布了G.656标准, 在S、C、L波段(1460-1625nm)都可搞DWDM,而且色散控制在2.0-14PS/(nm·km)范围内,且色散为正值。

3.5 G.657光纤问世

2006年末,ITU-T又制定了新标准G.657光纤,它是一种接入网用弯曲不灵敏性单模光纤。这表明光纤通信界不仅关注长途干线网、城域网,对接入网也高度重视。

     三、中国光纤光缆的技术进步和产业发展

我国光纤光缆的技术进步和产业发展主要经历了下述四个阶段。

     1、启动阶段(1978-1982)

1978年召开全国科学大会,把光纤通信列为优先发展的几大新技术之一。是年,邮电部、上海市、电子部先后成立光纤通信会战领导小组。邮电部会战单位为主 要是武汉邮电院、邮电部五所、邮电部侯马电缆厂;上海市主要会战单位是上海硅酸盐所、上海冶金所、上海电缆所、上海邮电519厂、上海石英玻璃厂、上海新 沪玻璃厂;电子部主要会战单位是46所、23所、44所、34所。

上海硅酸盐所GeO2-P2O5-SiO2系梯度型多模光纤研制成功;上海科大、上海石英玻璃厂研制出单模光纤;武汉邮科院研制出多模光纤。

上海、北京、天津、武汉先后建成市内电话中继光缆试验段。

     2、开始实用化与产业化(1983-1987)

1983年武汉市话中继光缆系统(13.5km、0.85μm、多模3.5dB/km、8Mb/s)正式投入电话网使用,标志着中国光纤通信走向实用化阶 段,1985年该系统扩容到34Mb/s。邮电部又在广州、石家庄、哈尔滨建成市话中继光缆工程,华南、华中、华北、东北四大区的实用化成功,表明我国光 纤、光缆系统整体技术水平达到商用化。同期国内也建了其它一些短距离光缆工程。

1987年国家光纤光缆工业性实验项目(武邮院光纤生产线、邮电部侯马电缆厂光缆生产线)通过国家级验收,标志着光纤、光缆的科技成果已开始形成生产力。上海石英玻璃厂、上海新沪玻璃厂及西古也开始生产光纤。

     3、干线大建设与产业跟进阶段(1988-1998)

3.1 长途干线架空光缆示范工程

1988-1990年,汉荆(250km,多模34Mb/s)、杨高(75km,单模34Mb/s)、合芜(单模140Mb/s)等工程相继完成。单模光纤光缆开始应用。

3.2 邮电部建设“八纵八模”光缆干线工程

1988-1991全引进建设宁汉架空干线工程(973km)。

1988-1990建设全国第一条全国产化直埋长途光缆干线兰武工程(286km,140Mb/s)。

随后京津济宁(1444km)、宁沪(565Mb/s)、沪杭福穗(2488KM)、京汉广架空(3046km)、京九、郑西、呼北、南昆、京呼银兰、西兰乌霍等工程相继建成。直到1998年建成兰西拉工程(2740km),八纵八横全部建成。

上述工程,开始用进口光缆多,以后国产光缆逐渐替代进口,后期全用国产的;光纤绝大部分是进口的,康宁占了大多数。京汉广架空干线是世界上最长的架空光 缆;兰西拉是世界上海拔最高、环境最恶劣的。前期用单模光纤1310nm窗口,1995年建京九光缆单模光纤开始用1550nm窗口。

3.3 光缆渐强,达到世界先进水平

光缆起步于1978年,初成于1987年,成熟于1990年代。前期主要生产厂侯马、西古、武邮、长飞、成都、华新的技术水平已接近世界先进水平,逐步替 代进口光缆。后期长飞、侯马、成都、西门子、武邮、北京朗讯、西古、华新的水平已达世界先进水平。骨架式光缆、松套层绞式光缆,用于架空直埋的各种结构及 护层的光缆都能生产。光系统通信速率不断提高,从140Mb/s到565Mb/s、622Mb/s,最后到2.5Gb/s。此期间,亨通、永鼎、中天、汇 源、通光、富通等公司诞生,全国新建了250多家光缆厂,生产能力大大提高。

3.4 光纤势弱,死而复生

从1979开始的市话中继光缆试验段到1983-1987的市话中继实用工程,再到1988-1990的长途干线架空光缆工程,一直用国产光纤。 1985-1991年,全国引进了34套MCVD光纤预制棒生产线和17台拉丝机,由于力量分散,消化吸收能力差,更谈不上创新,没形成规模生产力,最后 都停产。

1988-1998年建八纵八横,因国产光纤与世界先进水平差距较大,一律用进口。长期以来几乎对康宁光纤形成了一种迷信。

1998年,长飞和上海朗讯两家合资公司生产光纤都达到了100万公里,技术水平也接近了世界先进水平。中国光纤事业又有了转机。

     4、开始成为世界制造大国(1999-2006)

4.1 光缆网络继续大建设

八纵八横通信干线光缆工程建成后,我国通信光缆工程又不断有新发展。

传速速率从2.5Gb/s提升到10Gb/s,开始采用波分复用。中国电信、中国移动、中国网通又建高速传输新环路。如中国电信2001年又建大8字工 程:京汉广、京津济宁、沪杭福穗、京沈长哈、京承阜白齐哈、郑西、宁汉。这些工程大多采用96或64芯G.655B光纤光缆,用30×10G波分复用系 统。

进入21世纪光缆线路从干线网又向城域网、接入网发展,铜退光进,最终会到FTTH。

2006年由长飞、亨通、中天、通光、法尔胜五家研制成功的气送微缆建成“仪长原油管道通信工程”。该工程东起江苏仪征,西至湖南长岭,途经苏、皖、贑、 鄂、湘五省,全长1018公里。该工程是目前世界上采用气送微缆技术线路最长、施工难度最大、通信线路最优的工程,开启了中国通信干线史上又一新篇章。

2006年烽火科技在沪杭间建成了80×40Gb/sDWDM系统光缆工程。该系统用G.652D光纤,C、L波段分组放大各用40波分复用,40Gb/sSDH(STM-256),并采用精确色散管理技术和动态PMD补偿技术。

未来3年,中国电信、网通、联通与中华电信、韩国电信、美国Verizon等六家电信公司将合建横跨太平洋高速直达光缆 TPE(TransPacificExpress),速率1.28T-5.12T,可通620万路电话数据量,路由1.12万公里,光缆长1.8万公里。

4.2 光纤形势喜人

1999年,长飞、上海朗讯两家生产光纤都超过150万公里,产品技术水平大为提高。G.652光纤已达世界先进水平,与康宁、朗讯、住友、藤仓、阿尔卡 特水平相当。南京华新藤仓和深圳特发的光纤产量也超过20万公里。国内使用光纤总数580万公里,国产280万公里,几乎占到一半。

2005年,长飞已形成用PCVD+套管工艺制造G.651、G.652、G.655等光纤的大规模生产能力。法尔胜的MCVD+OVD,富通的 VAD+OVD都已形成年产100万公里的能力。光纤拉丝,长飞、南京华新藤仓、上海光纤、烽火、富通、深圳阿尔卡特、亨通光纤、法尔胜、中住、西古、中 天都已形成可观的规模生产能力,而且技术水平和产品质量已达国际先进水平。

2006年,生产光纤,长飞已达950万公里,亨通与富通达300万公里,烽火、中天、上海光纤、南京华新藤仓四家达250万公里以上,特发、法尔胜、中住三家达100万公里以上。全国产光纤2600万公里,出口360万,进口250万。

若再加强预制棒研发,我国就会成为世界光纤制造大国。

4.3 光缆已成世界制造大国

现在我国已拥有长飞、亨通、烽火、中天、汇源、永鼎、通光、富通等几大光缆企业及特发、成康、北康、侯马、华新、港龙、双塔、富春江、通鼎、西古、华伦、 华达、宏安、南方、法尔胜、天虹等一大批骨干企业。光缆材料除芳纶外都已国产化。光缆材料业的发展强有力地推动了光缆产业的发展。

2006年,光缆产销:长飞460万芯公里、亨通408万芯公里、烽火280万芯公里、中天、通光、永鼎、奥星都达150万芯公里之上,成康、富通、汇源、特发都达100万芯公里以上。全国产销光缆达2000万芯公里。

光缆总体技术水平已达国际先进水平,主要企业的主要产品指标领先国际先进水平,产品种类规格基本齐全(海底越洋光缆尚差),可放心大胆进军世界光缆市场。全国已拥有8家中国名牌企业:长飞、亨通、通光、烽火、中天、永鼎、富通、通鼎。