光纤通信系统

浅谈光纤通信系统

摘要：论文先简单介绍光纤通信的发展，主要介绍了光纤通信系统的三个基本单元。介绍了光发射机的调制方式，单模光纤和多模光纤和光接收机的光检测器及灵敏度。

关键词：光发射机 光纤 光接收机

1.光纤通信的发展

通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的技术设备和传输介质。1970年，康宁公司研制出衰减为20B/km的光纤以及贝尔实验室研制成功室温下可以连续工作的铝镓砷半导体激光器使光纤通信得到了迅速发展。1977年，50nm的多模光纤在芝加哥相距7km的两个电信局之间进行了数字光纤通信系统传输实验，成为第一代光纤通信的标志。1980年，进入工作波长1310nm、使用多模光纤传输的第二代光纤通信时代。1983年，实现了使用单模光纤在1310波长传输的第三代光纤通信。20世纪80年代后期，进入了使用单模光纤在1550nm波段上传输的光纤通信阶段。这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要旅程碑，使光线通信进入了高速光纤通信阶段。自1955年以来，光纤通信的发展进入第五代，采用了密集波分复用对光纤系统传输容量进行扩容。随着社会的发展，信息的传输量需求大幅度提高，光纤传输容量将会提高，宽带光放大器以及密集波分复用系统中低的光源复用和解复用器会不断发展，偏振模色散补偿技术也会不断提高。

2.光纤通信系统三个基本单元

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤系统可分为三个基本单元：光发射机、光纤和光

接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成。光源是其核心部件，由半导体光二极管LED或者激光二极管LD构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减产生的光功率减弱。

2.1光发射机

光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。在光纤通信系统中，信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。

从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的。光纤通信中光源多采用直接调制方式。

外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。

模拟调制有两类，一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制（D－IM）；另一采用连续或脉冲的射频（RF）波作为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干

扰性能差，中继时噪声累积。

数字调制是光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输，它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。

直接调制指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），得到光频的调幅波或调频波，这种调制又称内调制；外调制是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的（如频率啁啾等）。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。目前光纤通信中应用最多的是光源的基带直接强度调制、副载波强度调制及数字调制，高速率时采用外调制。

2.2光纤

单模光纤这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤（SMF：Single ModeFiber）。目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。由于，光纤的纤芯很细（约10pm）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V参数＜2.4时，理论上，只能形成单模传输。另外，SMF没有多模色散，不仅传输频带较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤（DePr-essed Clad Fiber），其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外倒包层的折射率还低。另外，有匹配型包层光纤，其包层折射率呈均匀分布。

多模光纤将光纤按工作彼长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤（MMF：

MUlti ModeFiber）。纤芯直径为50pm，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。自从出现SMF光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易，在众多LAN中更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最高，沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看，在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于，光的各个路径所需时间大致相同。所以，传输容量较SI型大。SI型MMF光纤的折射率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使射出光波失真，色激较大。其结果是传输带宽变窄，目前SI型MMF应用较少。

2.3光接收机

光接收机的工作原理光接收机主要由光检测器、输入放大电路、控制电路、输出放大电路．显示电路、电源电路等组成。光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式。灵敏度是光接受机最重要的参数，它表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱信号的能力。对于模拟接收机而言则是光接收机工作在规定信噪比SNR所要求的最小平均接收光率；对于数字光接收机而言，它等于在满足特定误码率BER条件下，光接收机所需的最小平均光功率。 光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的光信号转化成电信号。目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD。PIN管比较简单，只需10V～20V的偏压即可工作，且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用PIN管的接收机的灵敏度不如APD管；AFD管具有10～200倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。但使用APD管比较复杂，需要几十到200V的偏压，并且温度变化较严重地影响APD管的

增益特性，所以通常需对APD管的偏压进行控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。对光检测器的基本要求是高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。由于光检测器产生的光电流非常微弱(nA～μA)，必须先经前置放大器进行低噪声放大，光电检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。

目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。直接检波系统的基本优点是构成简单，就当前光波技术水平来讲现实可行。因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。