CFCF2021 | II-VI 高意刘燕明：光纤通信发展的历史回顾

7/19/2021，光纤在线讯，在今年6月23日到25日的苏州光连接大会CFCF2021上，II-VI 高意刘燕明博士做了《光纤通信发展的历史回顾》的主题演讲。刘博士的演讲围绕光纤的发明和发展过程，到半导体激光器的发明再到相干通信，对整个光纤通信产业的发展做了梳理和回顾：



光纤早期的发展
   刘博士表示，他于1993年加入康宁，那个时候光通信正好处于发展比较快的时期，光纤放大器已经发明。光纤放大器发明是光通信很重要的里程碑，后来才开始有WDM以及相干光通信产品。为了实现更高功率、多通道带宽的光纤传输，他开始追踪早期光纤的发展，做了很多的研究。刘总说，从根本上说，光通信的发展是一个科学家怎么解决科学的问题。光通信产业就是这个过程中产生的。实际上，上世纪90年代的时候，资本市场最青睐的是电信运营商，背后正是光通信的发展。同样今天拼多多这些应用公司市值如日中天，背后也是我们做光通信的人的贡献。
这个科学家要解决的科学的问题，可以从通信最基本的香浓定理出发。从这个定理可以得出两点结论，一个是要提高频率，一个是降低损耗。通信的频段从最初的射频，微波再向上，就是红外的光波频段。在这个过程中科学家意识到，光波段是通信最好的地方，既然是光波段，所以有不同的地方在研究怎么样传输光。当时有两个方案：
1、纯石英玻璃管
用纯石英玻璃管来传输，并且做出单模，然而单模的石英管比现在的通信光纤细很多，小于1个微米，而且损耗在1dB/m。
2、空心的光纤
在玻璃管里镀上银，大家觉得银闪闪发光的反射非常好，损耗应该会非常低，最终也只能做到150个dB/km，很难再做下去。现在大家研究所谓的空心光纤，跟这个概念完全不一样。
   最后还是高锟博士提出的理论，他伟大在提出首先有一个（core）芯，它的折射率比较高，然后有个clad折射率稍微低一点，当然再加上外保保护层，当初做到20db/km，就可以传输10公里的光通信。
高锟博士的主要贡献，分三个方面：
    1、提出了core+clad，因为任何其他方案行不通。
    2、提出并且验证了光纤里的杂质，怎么来降低杂质才能做到低损耗光纤，给大家指明了方向，他本人不是材料科学家，只是物理学家，自己做不了材料，但是他提出来。
    3、他当初到美国、到贝尔实验室、到康宁、到日本NTT，甚至苏联也一样，他跑到全球各个地方给大家演讲他的理想，让大家怎么来做，大家当然采用了这个方案，最后康宁第一个做出来。
他在得诺贝尔奖的时候，说：“他想不出任何东西可以替代光纤，在接下来的1000年里，我想不出一个更好的系统”。
光纤技术自身的发展：从全波光纤到非零色散光纤
1970年康宁的三位科学家做出20dB/km的光纤，两位物理学家一位材料学家。康宁能率先做出实用的光纤，除了他们三个，还有另外一位科学家的贡献。这位叫海德的科学家从30年代后期已经在研究气相沉淀的办法，怎么纯化玻璃。他的CVD工艺成了康宁光纤制造的基础，但一直沿着高锟博士指的路。
不同厂家开始采用的技术路线也不同。康宁采用的是OVD技术，贝尔实验室是MCVD技术，Phillips是PCVD技术，而日本几家公司是轴向VAD技术。这里面效率最高的是OVD技术。这些年光纤的技术发展是很快，同时也面临很多的问题：
   1）光纤损耗，光纤损耗是非常重要的参数。在80年代初做出光纤损耗的情况是，曲线后面的吸收峰跟水有关，那些就是所谓的杂质。在1380波段的时候有个很高的水峰，后来为了提高光纤的利用效率，为了不同的波段都能用上，在1996年和1997年之间开始做研发，真正的商用化是在2000年左右。朗讯当初叫全波光纤，康宁也有一个名字，总体来讲把1380nm的水峰去掉，所以光纤基本上从0.85第一个波段，1310到1650基本上都可以用。
   2）光纤色散，色散是硅材料的性质，我们可以通过改善波导的结构来改善色散。我当初加入康宁的第一个任务就是测偏振模色散PMD，当初90年代初光纤在CATV领域用量很大。1310nm下冬天系统的PMD会比较高。另外是WDM系统中，在90年代初的时候，AT&T做的是2.5G，康宁和北电做的是10G，主要原因也是PMD的问题。AT&T的MCVD工艺当时做出的光纤PMD比较高。
1997年康宁真正的推出我发明的非零色散LEAF光纤，在当年的OFC做了大量的推广，因此当初还拿到不少厂商的订单，并且还荣获多个奖项，据说全球至少有5000多万公里使用的都是LEAF光纤，全球50%以上的长途互联网采用的都是LEAF光纤。

半导体激光器及EDFA发明    
   1963年由贝尔实验室科学家和苏联科学家首先提到用半导体异质结构实现半导体的发光。他们为此在2000年得了物理诺贝尔奖。1970年做了一些演示，1971年开始实现室温下的应用。目前II-VI 是全球做半导体激光器，从种类和Fab可以说是最大的，产品涵盖从VCSEL、直接调制、外调制，甚至窄带宽的可调谐等等。
跟光通信相关的第三个比较大真正提高带宽的是EDFA的发明，这是英国的David Payne博士和Bell Labs的Desurvire同时发明的，基本概念就是以很弱的信号进入了掺铒光纤，掺铒光纤首先要有980nm或者1480nm的泵浦光源，它们出来以后就会被放大。90年代的时候，北电、Lucent、Ciena、Fujitsu、Alcatel、西门子等等都在开发WDM系统，国内华为在90年代后期也开始在做。而EDFA的光谱特性很好，它和光纤的低损耗波段正好匹配，稍微做一点增益的平坦管理，可以做到30nm，当然要做得更好，可以做到100nm。所以当初贝尔实验室很有名的华人厉鼎毅博士说过，EDFA是上帝给我们的Gift。

相干通信
    1、为了提高spectral efficiency频谱效率（达到香浓极限）。
    2、解决光纤损耗、色散、非线性的问题。
    其实用的一些技术最先是北电开始做的，是为了色散补偿的事情，所以用到DSP、偏振复用multiplexing，甚至QAM Modulation、QPSK的调制，最后通过ASICs实现所有的功能，最重要的是软件，最后我们发现光通信走向软件解决传输的问题，
  最后，看下目前商用的情况。真的很伟大，当初的光通信只有45Mb/s，现在每个通道可以做到400G/800G，在一个pizza box可以放8个通道，像目前II-VI已经推出的用在DCI，腾讯已经在用，pizza box可以做到25T，用8个pizza box。

结论
   光通信发展史，从最初的70年代Bell Labs首先用的是45Mb/s 850多模光纤开始，那时的传输距离只能达10km。到80年代，康宁采用400个Mb/s 1310单模光纤，传输距离可达50km，到80年代后期开始使用2.5Gb/s 1550nm的光纤，此时的传输距离可达100km。90年代开始有EDFA、WDM相关产品，而且在传输方面已经能够实现1Tb/s，完全能满足当时的带宽需求。
目前已经能做到50个Tb/s在一根光纤上，50个Tb/s和45个Mb/s是100万倍的增长，50年平均每年30%的增涨，可以说没有任何技术能发展得如此之快。光通信行业很伟大，就用高锟博士在得诺贝尔奖说的话结束今天的回顾：“我想不出任何东西可以取代光纤，在接下来1000年里，我想不出更好的系统比光通信系统更好。”