光纤通信系统的组成与特点

一、光纤通信系统简介

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。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。

二、光纤通信系统特点

①在单位时间内能传输的信息量大。90年代初光纤通信的实用水平的信息率为2.488Gbit/s，即一对单模光纤可同时开通35000个电话，而且它还在飞速发展;

②经济。光纤通信的建设费用随着使用数量的增大而降低;

③体积小、重量轻，施工和维护等都比较方便;

④使用金属少，抗电磁干扰、抗辐射性强，保密性好等。

三、光纤通信系统基本构成

(1)光发信机

光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

(2)光收信机

光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

(3)光纤或光缆

光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

(4)中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲近行整形。

(5)光纤连接器、耦合器等无源器件

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的(如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

常规的光纤通信系统系指发送端对光源进行强度调制，接收端用光电检测器对收到的光信号进行直接检测(IM/DD)的系统，又称强度调制直接栓波光纤通信系统，它是90年代初实际使用主。其基本结构以2.488Gbit/s系统为例，如图2所示。

图的左方为发送端电的时分复用器，它把输入的155Mbit/s的数字信号复合为2.488Gbit/s的信号。该信号直接强度调制一只分布反馈激光器，再将已调光输出传送给单模光纤。图的右方先由光一电检测器把已调光直接检测，得出2.488Gbit/S的数字信号，再经时分解复器得出一组155Mbit/s的数字信号。常规的光纤通信系统的中继设备如图3所示。

四、光纤通信系统原理

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去;在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息.

随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。

五、光纤通信系统应用领域

光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法;用于全球通信网、各国的公共电信网(如中国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线);它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线(CATV)系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。

它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制(PCM)和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。

六、光纤通信六大发展动向

(一)实现超大容量通信的近期趋势

社会的不断进步和发展对通信提出了越来越高的需求，光纤通信的容量也一直在不断的扩大再扩大，而技术难题也不断地再出现。

1、TDM方式

时分复用方式(TDM)是提高光纤容量的有效手段。据测算，速率每提高一个等级，TDM的每比特的成本会下降30%-40%。但码速率越高，光纤色散的影响也越严重，因此必须采用色散补偿技术。如10Gb/S系统就是如此。目前，国际上TDM实验室水平已达到40Gb/S。

2、WDM方式

波分复用(WDM)方式因配置灵活、扩容方便，又可以节省光纤，所以其发展前景看好。但是国际上以2.5Gb/S还是以10Gb/S作为WDM的基群问题上出现了分歧。此外，由于G.653光纤在开放WDM应用时会出现四波混频效应(FWM)，

所以最适合于WDM方式的光纤是G.655光纤。目前国际上WDM最高实验室水平为2640Gb/S。

3、OTDM方式

光时分复用(OTDM)和传统的TDM的区别是：光/电和电/光转换在系统中的位置不同。我们现在采用的TDM方式，是把光/电和电/光转换放在高速率信道上。如先对线路信号进行光/电转换，然后对电信号进行解复用。而OTDM则是直接对高速率光信号进行复用和解复用，然后再对分支光路信号进行光/电和电/光转换。目前OTDM最高实验室水平为200Gb/S。

4、光放大技术

对光信号直接进行放大，一直是人们的追求目标。经过十多年的努力已取得了可喜的进展。光放大器可以分为两类，即光纤放大器和半导体激光放大器。光纤放大器尤其是EDFA(掺铒光纤放大器)已经成熟并商品化，其工作波长为1550nm.。它具有高增益(最高50dB)、高速率(10Gb/S)、低噪声和失真小等优点。此外，还有NDFA(掺铷)和PDFA(掺镨)，其工作波长为1310nm，但性能不如SOA。半导体激光放大器(SOA)的工作波长为1310nm，它具有体积小、易驱动、高增益(20dB)等优点，发展前景十分乐观。

5、色散补偿技术

当码速率极高，出现色散受限的情况下如10Gb/S应用在G.652光纤时，色散补偿技术是必不可少的。目前色散补偿光纤(DCF)已经达到商用化水平，其色散补偿范围可达-50~-800ps/km.nm。此外，光纤光栅补偿技术也日益受到人们的重视。总之，光纤通信技术虽然已经成熟并成为现代通信的主要传输手段，但它并没有停滞不前而是向更高水平，更深层次的方向发展。并引发了许多新课题，形成了许多新学科，从而促进了其它科学分支的发展。

(二)波分复用技术(WDM)

所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端用分波器把几种光波分离开，分别输入到各个分系统的光接收机。可以看出波分复用的关键技术是光波的合波器与分波器。近几年已经出现几

种形式的合波器与分波器，如半透镜与滤光片、自聚焦棒与滤光片以及平面光栅与偏振光栅等

(三)相干光通信

迄今为止我们所应用的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。在此方式下，光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适应不了超大容量、超长距离通信的要求。所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法如FSK、ASK和PSK对之进行调制。在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混混频器上进行混频与差频，然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。相干光通信技术一则可以增大光纤的传输容量，二则可以大大提高光接收机的灵敏度(可提高10～20dB)。相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。由发送端的光源和接收端的本振光源所发出的光，必须谱线十分狭窄(接近单频)、频率十分稳定、相位也非常恒定，否则无法进行混频与差频。此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。

(四)超长波长光纤通信

石英光纤的衰耗目前已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。经研究发现，氟化物光纤在波长3.4微米处的衰耗理论极限，可低达10-3dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论极限可低达10-2～10-5dB/km，若真的实现光纤衰耗小于10-3dB/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。人们把波长大于2微米的通信称为超长波长光纤通信。

(五)光集成技术

它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件;还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂功能的光电部件如光发送机与光接收机等。采用光集成技术，不仅使设备的体积、重量大大减少，而且提高了稳定性与可靠性。

(六)光孤子通信

我们知道，通信容量越大，要求光脉冲越窄，如2.5Gb/s系统的光脉冲宽度约为400ps。窄光脉冲经光纤传输后因光纤的色散作用而出现脉冲展宽现象而引起码间干扰，因此脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。经研究发现，当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的奇特现象，其光脉冲宽度可低达几个ps，即所谓光孤子脉冲。因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。