CFCF2021 | II-VI 高意劉燕明：光纖通信發(fā)展的歷史回顧
發(fā)布時間：2021-07-19 14:28:38 熱度：4584
7/19/2021，光纖在線訊，在今年6月23日到25日的蘇州光連接大會CFCF2021上，II-VI 高意劉燕明博士做了《光纖通信發(fā)展的歷史回顧》的主題演講。劉博士的演講圍繞光纖的發(fā)明和發(fā)展過程，到半導體激光器的發(fā)明再到相干通信，對整個光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做了梳理和回顧：
光纖早期的發(fā)展
劉博士表示，他于1993年加入康寧，那個時候光通信正好處于發(fā)展比較快的時期，光纖放大器已經(jīng)發(fā)明。光纖放大器發(fā)明是光通信很重要的里程碑，后來才開始有WDM以及相干光通信產(chǎn)品。為了實現(xiàn)更高功率、多通道帶寬的光纖傳輸，他開始追蹤早期光纖的發(fā)展，做了很多的研究。劉總說，從根本上說，光通信的發(fā)展是一個科學家怎么解決科學的問題。光通信產(chǎn)業(yè)就是這個過程中產(chǎn)生的。實際上，上世紀90年代的時候，資本市場最青睞的是電信運營商，背后正是光通信的發(fā)展。同樣今天拼多多這些應(yīng)用公司市值如日中天，背后也是我們做光通信的人的貢獻。
這個科學家要解決的科學的問題，可以從通信最基本的香濃定理出發(fā)。從這個定理可以得出兩點結(jié)論，一個是要提高頻率，一個是降低損耗。通信的頻段從最初的射頻，微波再向上，就是紅外的光波頻段。在這個過程中科學家意識到，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樣傳輸光。當時有兩個方案：
1、純石英玻璃管
用純石英玻璃管來傳輸，并且做出單模，然而單模的石英管比現(xiàn)在的通信光纖細很多，小于1個微米，而且損耗在1dB/m。
2、空心的光纖
在玻璃管里鍍上銀，大家覺得銀閃閃發(fā)光的反射非常好，損耗應(yīng)該會非常低，最終也只能做到150個dB/km，很難再做下去。現(xiàn)在大家研究所謂的空心光纖，跟這個概念完全不一樣。
最后還是高錕博士提出的理論，他偉大在提出首先有一個（core）芯，它的折射率比較高，然后有個clad折射率稍微低一點，當然再加上外保保護層，當初做到20db/km，就可以傳輸10公里的光通信。
高錕博士的主要貢獻，分三個方面：
1、提出了core+clad，因為任何其他方案行不通。
2、提出并且驗證了光纖里的雜質(zhì)，怎么來降低雜質(zhì)才能做到低損耗光纖，給大家指明了方向，他本人不是材料科學家，只是物理學家，自己做不了材料，但是他提出來。
3、他當初到美國、到貝爾實驗室、到康寧、到日本NTT，甚至蘇聯(lián)也一樣，他跑到全球各個地方給大家演講他的理想，讓大家怎么來做，大家當然采用了這個方案，最后康寧第一個做出來。
他在得諾貝爾獎的時候，說：“他想不出任何東西可以替代光纖，在接下來的1000年里，我想不出一個更好的系統(tǒng)”。
光纖技術(shù)自身的發(fā)展：從全波光纖到非零色散光纖
1970年康寧的三位科學家做出20dB/km的光纖，兩位物理學家一位材料學家?？祵幠苈氏茸龀鰧嵱玫墓饫w，除了他們?nèi)齻€，還有另外一位科學家的貢獻。這位叫海德的科學家從30年代后期已經(jīng)在研究氣相沉淀的辦法，怎么純化玻璃。他的CVD工藝成了康寧光纖制造的基礎(chǔ)，但一直沿著高錕博士指的路。
不同廠家開始采用的技術(shù)路線也不同。康寧采用的是OVD技術(shù)，貝爾實驗室是MCVD技術(shù)，Phillips是PCVD技術(shù)，而日本幾家公司是軸向VAD技術(shù)。這里面效率最高的是OVD技術(shù)。這些年光纖的技術(shù)發(fā)展是很快，同時也面臨很多的問題：
1）光纖損耗，光纖損耗是非常重要的參數(shù)。在80年代初做出光纖損耗的情況是，曲線后面的吸收峰跟水有關(guān)，那些就是所謂的雜質(zhì)。在1380波段的時候有個很高的水峰，后來為了提高光纖的利用效率，為了不同的波段都能用上，在1996年和1997年之間開始做研發(fā)，真正的商用化是在2000年左右。朗訊當初叫全波光纖，康寧也有一個名字，總體來講把1380nm的水峰去掉，所以光纖基本上從0.85第一個波段，1310到1650基本上都可以用。
2）光纖色散，色散是硅材料的性質(zhì)，我們可以通過改善波導的結(jié)構(gòu)來改善色散。我當初加入康寧的第一個任務(wù)就是測偏振模色散PMD，當初90年代初光纖在CATV領(lǐng)域用量很大。1310nm下冬天系統(tǒng)的PMD會比較高。另外是WDM系統(tǒng)中，在90年代初的時候，AT&T做的是2.5G，康寧和北電做的是10G，主要原因也是PMD的問題。AT&T的MCVD工藝當時做出的光纖PMD比較高。
1997年康寧真正的推出我發(fā)明的非零色散LEAF光纖，在當年的OFC做了大量的推廣，因此當初還拿到不少廠商的訂單，并且還榮獲多個獎項，據(jù)說全球至少有5000多萬公里使用的都是LEAF光纖，全球50%以上的長途互聯(lián)網(wǎng)采用的都是LEAF光纖。
半導體激光器及EDFA發(fā)明
1963年由貝爾實驗室科學家和蘇聯(lián)科學家首先提到用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導體的發(fā)光。他們?yōu)榇嗽?000年得了物理諾貝爾獎。1970年做了一些演示，1971年開始實現(xiàn)室溫下的應(yīng)用。目前II-VI 是全球做半導體激光器，從種類和Fab可以說是最大的，產(chǎn)品涵蓋從VCSEL、直接調(diào)制、外調(diào)制，甚至窄帶寬的可調(diào)諧等等。
跟光通信相關(guān)的第三個比較大真正提高帶寬的是EDFA的發(fā)明，這是英國的David Payne博士和Bell Labs的Desurvire同時發(fā)明的，基本概念就是以很弱的信號進入了摻鉺光纖，摻鉺光纖首先要有980nm或者1480nm的泵浦光源，它們出來以后就會被放大。90年代的時候，北電、Lucent、Ciena、Fujitsu、Alcatel、西門子等等都在開發(fā)WDM系統(tǒng)，國內(nèi)華為在90年代后期也開始在做。而EDFA的光譜特性很好，它和光纖的低損耗波段正好匹配，稍微做一點增益的平坦管理，可以做到30nm，當然要做得更好，可以做到100nm。所以當初貝爾實驗室很有名的華人厲鼎毅博士說過，EDFA是上帝給我們的Gift。
相干通信
1、為了提高spectral efficiency頻譜效率（達到香濃極限）。
2、解決光纖損耗、色散、非線性的問題。
其實用的一些技術(shù)最先是北電開始做的，是為了色散補償?shù)氖虑?，所以用到DSP、偏振復(fù)用multiplexing，甚至QAM Modulation、QPSK的調(diào)制，最后通過ASICs實現(xiàn)所有的功能，最重要的是軟件，最后我們發(fā)現(xiàn)光通信走向軟件解決傳輸?shù)膯栴}，
最后，看下目前商用的情況。真的很偉大，當初的光通信只有45Mb/s，現(xiàn)在每個通道可以做到400G/800G，在一個pizza box可以放8個通道，像目前II-VI已經(jīng)推出的用在DCI，騰訊已經(jīng)在用，pizza box可以做到25T，用8個pizza box。
結(jié)論
光通信發(fā)展史，從最初的70年代Bell Labs首先用的是45Mb/s 850多模光纖開始，那時的傳輸距離只能達10km。到80年代，康寧采用400個Mb/s 1310單模光纖，傳輸距離可達50km，到80年代后期開始使用2.5Gb/s 1550nm的光纖，此時的傳輸距離可達100km。90年代開始有EDFA、WDM相關(guān)產(chǎn)品，而且在傳輸方面已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)1Tb/s，完全能滿足當時的帶寬需求。
目前已經(jīng)能做到50個Tb/s在一根光纖上，50個Tb/s和45個Mb/s是100萬倍的增長，50年平均每年30%的增漲，可以說沒有任何技術(shù)能發(fā)展得如此之快。光通信行業(yè)很偉大，就用高錕博士在得諾貝爾獎?wù)f的話結(jié)束今天的回顧：“我想不出任何東西可以取代光纖，在接下來1000年里，我想不出更好的系統(tǒng)比光通信系統(tǒng)更好?！?br>
光纖早期的發(fā)展
劉博士表示，他于1993年加入康寧，那個時候光通信正好處于發(fā)展比較快的時期，光纖放大器已經(jīng)發(fā)明。光纖放大器發(fā)明是光通信很重要的里程碑，后來才開始有WDM以及相干光通信產(chǎn)品。為了實現(xiàn)更高功率、多通道帶寬的光纖傳輸，他開始追蹤早期光纖的發(fā)展，做了很多的研究。劉總說，從根本上說，光通信的發(fā)展是一個科學家怎么解決科學的問題。光通信產(chǎn)業(yè)就是這個過程中產(chǎn)生的。實際上，上世紀90年代的時候，資本市場最青睞的是電信運營商，背后正是光通信的發(fā)展。同樣今天拼多多這些應(yīng)用公司市值如日中天，背后也是我們做光通信的人的貢獻。
這個科學家要解決的科學的問題，可以從通信最基本的香濃定理出發(fā)。從這個定理可以得出兩點結(jié)論，一個是要提高頻率，一個是降低損耗。通信的頻段從最初的射頻，微波再向上，就是紅外的光波頻段。在這個過程中科學家意識到，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樣傳輸光。當時有兩個方案：
1、純石英玻璃管
用純石英玻璃管來傳輸，并且做出單模，然而單模的石英管比現(xiàn)在的通信光纖細很多，小于1個微米，而且損耗在1dB/m。
2、空心的光纖
在玻璃管里鍍上銀，大家覺得銀閃閃發(fā)光的反射非常好，損耗應(yīng)該會非常低，最終也只能做到150個dB/km，很難再做下去。現(xiàn)在大家研究所謂的空心光纖，跟這個概念完全不一樣。
最后還是高錕博士提出的理論，他偉大在提出首先有一個（core）芯，它的折射率比較高，然后有個clad折射率稍微低一點，當然再加上外保保護層，當初做到20db/km，就可以傳輸10公里的光通信。
高錕博士的主要貢獻，分三個方面：
1、提出了core+clad，因為任何其他方案行不通。
2、提出并且驗證了光纖里的雜質(zhì)，怎么來降低雜質(zhì)才能做到低損耗光纖，給大家指明了方向，他本人不是材料科學家，只是物理學家，自己做不了材料，但是他提出來。
3、他當初到美國、到貝爾實驗室、到康寧、到日本NTT，甚至蘇聯(lián)也一樣，他跑到全球各個地方給大家演講他的理想，讓大家怎么來做，大家當然采用了這個方案，最后康寧第一個做出來。
他在得諾貝爾獎的時候，說：“他想不出任何東西可以替代光纖，在接下來的1000年里，我想不出一個更好的系統(tǒng)”。
光纖技術(shù)自身的發(fā)展：從全波光纖到非零色散光纖
1970年康寧的三位科學家做出20dB/km的光纖，兩位物理學家一位材料學家?？祵幠苈氏茸龀鰧嵱玫墓饫w，除了他們?nèi)齻€，還有另外一位科學家的貢獻。這位叫海德的科學家從30年代后期已經(jīng)在研究氣相沉淀的辦法，怎么純化玻璃。他的CVD工藝成了康寧光纖制造的基礎(chǔ)，但一直沿著高錕博士指的路。
不同廠家開始采用的技術(shù)路線也不同。康寧采用的是OVD技術(shù)，貝爾實驗室是MCVD技術(shù)，Phillips是PCVD技術(shù)，而日本幾家公司是軸向VAD技術(shù)。這里面效率最高的是OVD技術(shù)。這些年光纖的技術(shù)發(fā)展是很快，同時也面臨很多的問題：
1）光纖損耗，光纖損耗是非常重要的參數(shù)。在80年代初做出光纖損耗的情況是，曲線后面的吸收峰跟水有關(guān)，那些就是所謂的雜質(zhì)。在1380波段的時候有個很高的水峰，后來為了提高光纖的利用效率，為了不同的波段都能用上，在1996年和1997年之間開始做研發(fā)，真正的商用化是在2000年左右。朗訊當初叫全波光纖，康寧也有一個名字，總體來講把1380nm的水峰去掉，所以光纖基本上從0.85第一個波段，1310到1650基本上都可以用。
2）光纖色散，色散是硅材料的性質(zhì)，我們可以通過改善波導的結(jié)構(gòu)來改善色散。我當初加入康寧的第一個任務(wù)就是測偏振模色散PMD，當初90年代初光纖在CATV領(lǐng)域用量很大。1310nm下冬天系統(tǒng)的PMD會比較高。另外是WDM系統(tǒng)中，在90年代初的時候，AT&T做的是2.5G，康寧和北電做的是10G，主要原因也是PMD的問題。AT&T的MCVD工藝當時做出的光纖PMD比較高。
1997年康寧真正的推出我發(fā)明的非零色散LEAF光纖，在當年的OFC做了大量的推廣，因此當初還拿到不少廠商的訂單，并且還榮獲多個獎項，據(jù)說全球至少有5000多萬公里使用的都是LEAF光纖，全球50%以上的長途互聯(lián)網(wǎng)采用的都是LEAF光纖。
半導體激光器及EDFA發(fā)明
1963年由貝爾實驗室科學家和蘇聯(lián)科學家首先提到用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導體的發(fā)光。他們?yōu)榇嗽?000年得了物理諾貝爾獎。1970年做了一些演示，1971年開始實現(xiàn)室溫下的應(yīng)用。目前II-VI 是全球做半導體激光器，從種類和Fab可以說是最大的，產(chǎn)品涵蓋從VCSEL、直接調(diào)制、外調(diào)制，甚至窄帶寬的可調(diào)諧等等。
跟光通信相關(guān)的第三個比較大真正提高帶寬的是EDFA的發(fā)明，這是英國的David Payne博士和Bell Labs的Desurvire同時發(fā)明的，基本概念就是以很弱的信號進入了摻鉺光纖，摻鉺光纖首先要有980nm或者1480nm的泵浦光源，它們出來以后就會被放大。90年代的時候，北電、Lucent、Ciena、Fujitsu、Alcatel、西門子等等都在開發(fā)WDM系統(tǒng)，國內(nèi)華為在90年代后期也開始在做。而EDFA的光譜特性很好，它和光纖的低損耗波段正好匹配，稍微做一點增益的平坦管理，可以做到30nm，當然要做得更好，可以做到100nm。所以當初貝爾實驗室很有名的華人厲鼎毅博士說過，EDFA是上帝給我們的Gift。
相干通信
1、為了提高spectral efficiency頻譜效率（達到香濃極限）。
2、解決光纖損耗、色散、非線性的問題。
其實用的一些技術(shù)最先是北電開始做的，是為了色散補償?shù)氖虑?，所以用到DSP、偏振復(fù)用multiplexing，甚至QAM Modulation、QPSK的調(diào)制，最后通過ASICs實現(xiàn)所有的功能，最重要的是軟件，最后我們發(fā)現(xiàn)光通信走向軟件解決傳輸?shù)膯栴}，
最后，看下目前商用的情況。真的很偉大，當初的光通信只有45Mb/s，現(xiàn)在每個通道可以做到400G/800G，在一個pizza box可以放8個通道，像目前II-VI已經(jīng)推出的用在DCI，騰訊已經(jīng)在用，pizza box可以做到25T，用8個pizza box。
結(jié)論
光通信發(fā)展史，從最初的70年代Bell Labs首先用的是45Mb/s 850多模光纖開始，那時的傳輸距離只能達10km。到80年代，康寧采用400個Mb/s 1310單模光纖，傳輸距離可達50km，到80年代后期開始使用2.5Gb/s 1550nm的光纖，此時的傳輸距離可達100km。90年代開始有EDFA、WDM相關(guān)產(chǎn)品，而且在傳輸方面已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)1Tb/s，完全能滿足當時的帶寬需求。
目前已經(jīng)能做到50個Tb/s在一根光纖上，50個Tb/s和45個Mb/s是100萬倍的增長，50年平均每年30%的增漲，可以說沒有任何技術(shù)能發(fā)展得如此之快。光通信行業(yè)很偉大，就用高錕博士在得諾貝爾獎?wù)f的話結(jié)束今天的回顧：“我想不出任何東西可以取代光纖，在接下來1000年里，我想不出更好的系統(tǒng)比光通信系統(tǒng)更好?！?br>
