一、光纖通信系統(tǒng)簡介

光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和通信業(yè)的飛速發(fā)展，信息化給世界生產(chǎn)力和人類社會的發(fā)展帶來了極大的推動。光纖通信作為信息化的主要技術支柱之一，必將成為21世紀最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

二、光纖通信系統(tǒng)特點

①在單位時間內能傳輸?shù)男畔⒘看蟆?0年代初光纖通信的實用水平的信息率為2.488Gbit/s，即一對單模光纖可同時開通35000個電話，而且它還在飛速發(fā)展;

②經(jīng)濟。光纖通信的建設費用隨著使用數(shù)量的增大而降低;

③體積小、重量輕，施工和維護等都比較方便;

④使用金屬少，抗電磁干擾、抗輻射性強，保密性好等。

三、光纖通信系統(tǒng)基本構成

(1)光發(fā)信機

光發(fā)信機是實現(xiàn)電/光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發(fā)出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規(guī)的電子通信設備。

(2)光收信機

光收信機是實現(xiàn)光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經(jīng)光檢測器轉變?yōu)殡娦盘?，然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

(3)光纖或光纜

光纖或光纜構成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調光信號，經(jīng)過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務。

(4)中繼器

中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減;另一個是對波形失真的脈沖近行整形。

(5)光纖連接器、耦合器等無源器件

由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的(如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)系指發(fā)送端對光源進行強度調制，接收端用光電檢測器對收到的光信號進行直接檢測(IM/DD)的系統(tǒng)，又稱強度調制直接栓波光纖通信系統(tǒng)，它是90年代初實際使用主。其基本結構以2.488Gbit/s系統(tǒng)為例，如圖2所示。

圖的左方為發(fā)送端電的時分復用器，它把輸入的155Mbit/s的數(shù)字信號復合為2.488Gbit/s的信號。該信號直接強度調制一只分布反饋激光器，再將已調光輸出傳送給單模光纖。圖的右方先由光一電檢測器把已調光直接檢測，得出2.488Gbit/S的數(shù)字信號，再經(jīng)時分解復器得出一組155Mbit/s的數(shù)字信號。常規(guī)的光纖通信系統(tǒng)的中繼設備如圖3所示。

四、光纖通信系統(tǒng)原理

光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號，然后調制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去;在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調后恢復原信息.

隨著信息技術傳輸速度日益更新，光纖技術已得到廣泛的重視和應用。在多微機電梯系統(tǒng)中，光纖的應用充分滿足了大量的數(shù)據(jù)通信正確、可靠、高速傳輸和處理的要求。光纖技術在電梯上的應用，大大提高了整個控制系統(tǒng)的反應速度，使電梯系統(tǒng)的并聯(lián)群控性能有了明顯提高。電梯上所使用的光纖通信裝置主要由光源、光電接收器和光纖組成。

五、光纖通信系統(tǒng)應用領域

光纖通信的應用領域是很廣泛的，主要用于市話中繼線，光纖通信的優(yōu)點在這里可以充分發(fā)揮，逐步取代電纜，得到廣泛應用。還用于長途干線通信過去主要靠電纜、微波、衛(wèi)星通信，現(xiàn)以逐步使用光纖通信并形成了占全球優(yōu)勢的比特傳輸方法;用于全球通信網(wǎng)、各國的公共電信網(wǎng)(如中國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線);它還用于高質量彩色的電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視和調度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、共用天線(CATV)系統(tǒng)，用于光纖局域網(wǎng)和其他如在飛機內、飛船內、艦艇內、礦井下、電力部門、軍事及有腐蝕和有輻射等中使用。

光纖傳輸系統(tǒng)主要由：光發(fā)送機、光接收機、光纜傳輸線路、光中繼器和各種無源光器件構成。要實現(xiàn)通信，基帶信號還必須經(jīng)過電端機對信號進行處理后送到光纖傳輸系統(tǒng)完成通信過程。

它適合于光纖模擬通信系統(tǒng)中，而且也適用于光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在光纖模擬通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、預調制等處理，而電信號反處理則是發(fā)端處理的逆過程，即解調、放大等處理。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，電信號處理是指對基帶信號進行放大、取樣、量化，即脈沖編碼調制(PCM)和線路碼型編碼處理等，而電信號反處理也是發(fā)端的逆過程。對數(shù)據(jù)光纖通信，電信號處理主要包括對信號進行放大，和數(shù)字通信系統(tǒng)不同的是它不需要碼型變換。

六、光纖通信六大發(fā)展動向

(一)實現(xiàn)超大容量通信的近期趨勢

社會的不斷進步和發(fā)展對通信提出了越來越高的需求，光纖通信的容量也一直在不斷的擴大再擴大，而技術難題也不斷地再出現(xiàn)。

1、TDM方式

時分復用方式(TDM)是提高光纖容量的有效手段。據(jù)測算，速率每提高一個等級，TDM的每比特的成本會下降30%-40%。但碼速率越高，光纖色散的影響也越嚴重，因此必須采用色散補償技術。如10Gb/S系統(tǒng)就是如此。目前，國際上TDM實驗室水平已達到40Gb/S。

2、WDM方式

波分復用(WDM)方式因配置靈活、擴容方便，又可以節(jié)省光纖，所以其發(fā)展前景看好。但是國際上以2.5Gb/S還是以10Gb/S作為WDM的基群問題上出現(xiàn)了分歧。此外，由于G.653光纖在開放WDM應用時會出現(xiàn)四波混頻效應(FWM)，

所以最適合于WDM方式的光纖是G.655光纖。目前國際上WDM最高實驗室水平為2640Gb/S。

3、OTDM方式

光時分復用(OTDM)和傳統(tǒng)的TDM的區(qū)別是：光/電和電/光轉換在系統(tǒng)中的位置不同。我們現(xiàn)在采用的TDM方式，是把光/電和電/光轉換放在高速率信道上。如先對線路信號進行光/電轉換，然后對電信號進行解復用。而OTDM則是直接對高速率光信號進行復用和解復用，然后再對分支光路信號進行光/電和電/光轉換。目前OTDM最高實驗室水平為200Gb/S。

4、光放大技術

對光信號直接進行放大，一直是人們的追求目標。經(jīng)過十多年的努力已取得了可喜的進展。光放大器可以分為兩類，即光纖放大器和半導體激光放大器。光纖放大器尤其是EDFA(摻鉺光纖放大器)已經(jīng)成熟并商品化，其工作波長為1550nm.。它具有高增益(最高50dB)、高速率(10Gb/S)、低噪聲和失真小等優(yōu)點。此外，還有NDFA(摻銣)和PDFA(摻鐠)，其工作波長為1310nm，但性能不如SOA。半導體激光放大器(SOA)的工作波長為1310nm，它具有體積小、易驅動、高增益(20dB)等優(yōu)點，發(fā)展前景十分樂觀。

5、色散補償技術

當碼速率極高，出現(xiàn)色散受限的情況下如10Gb/S應用在G.652光纖時，色散補償技術是必不可少的。目前色散補償光纖(DCF)已經(jīng)達到商用化水平，其色散補償范圍可達-50~-800ps/km.nm。此外，光纖光柵補償技術也日益受到人們的重視?？傊?，光纖通信技術雖然已經(jīng)成熟并成為現(xiàn)代通信的主要傳輸手段，但它并沒有停滯不前而是向更高水平，更深層次的方向發(fā)展。并引發(fā)了許多新課題，形成了許多新學科，從而促進了其它科學分支的發(fā)展。

(二)波分復用技術(WDM)

所謂波分復用，就是用一根光纖同時傳輸幾種不同波長的光波以達到擴大通信容量的目的。在系統(tǒng)的發(fā)送端，由各個分系統(tǒng)分別發(fā)出不同波長的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波進入光纖進行傳輸，而在接收端用分波器把幾種光波分離開，分別輸入到各個分系統(tǒng)的光接收機?？梢钥闯霾ǚ謴陀玫年P鍵技術是光波的合波器與分波器。近幾年已經(jīng)出現(xiàn)幾

種形式的合波器與分波器，如半透鏡與濾光片、自聚焦棒與濾光片以及平面光柵與偏振光柵等

(三)相干光通信

迄今為止我們所應用的光纖通信都是采用強度調制與直接檢波的工作方式，它只相當于原始的無線通信所使用的調制與解調技術。在此方式下，光源器件的調制速率、光接收機的靈敏度受到局限而難以再提高，適應不了超大容量、超長距離通信的要求。所謂相干光通信，就是在發(fā)端由激光器發(fā)出譜線極窄、頻率穩(wěn)定、相位恒定的相干光，并用先進的調制方法如FSK、ASK和PSK對之進行調制。在收端，把由光纖傳輸來的相干光載波與本振光源發(fā)出的相干光，經(jīng)光耦合器后加到光混混頻器上進行混頻與差頻，然后把差頻后的中頻光信號進行放大、檢波。相干光通信技術一則可以增大光纖的傳輸容量，二則可以大大提高光接收機的靈敏度(可提高10～20dB)。相干光通信的關鍵技術是光源器件、光波的匹配。由發(fā)送端的光源和接收端的本振光源所發(fā)出的光，必須譜線十分狹窄(接近單頻)、頻率十分穩(wěn)定、相位也非常恒定，否則無法進行混頻與差頻。此外，本振光和從光纖傳輸來的光載波必須具有良好的匹配，這就要求光纖應該是偏振保持光纖。

(四)超長波長光纖通信

石英光纖的衰耗目前已接近理論極限值，再無多大潛力可挖。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氟化物光纖在波長3.4微米處的衰耗理論極限，可低達10-3dB/km;而金屬鹵化物光纖的衰耗理論極限可低達10-2～10-5dB/km，若真的實現(xiàn)光纖衰耗小于10-3dB/km，中繼距離可達三萬多公里，那么實現(xiàn)全球無中繼的光纖通信就會成為現(xiàn)實。人們把波長大于2微米的通信稱為超長波長光纖通信。

(五)光集成技術

它和電子技術中的集成電路相類似，是把許多微型光學元件如光源器件、光檢測器件、光透鏡、光濾波器、光柵等集成在一塊很小的芯片上，構成具有復雜性能的光器件;還可以和集成電路等電子元件集成在一起形成功能更復雜功能的光電部件如光發(fā)送機與光接收機等。采用光集成技術，不僅使設備的體積、重量大大減少，而且提高了穩(wěn)定性與可靠性。

(六)光孤子通信

我們知道，通信容量越大，要求光脈沖越窄，如2.5Gb/s系統(tǒng)的光脈沖寬度約為400ps。窄光脈沖經(jīng)光纖傳輸后因光纖的色散作用而出現(xiàn)脈沖展寬現(xiàn)象而引起碼間干擾，因此脈沖展寬一直是制約大容量、長距離傳輸?shù)年P鍵因素。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當注入光強密度足夠大時會引起光脈沖變窄的奇特現(xiàn)象，其光脈沖寬度可低達幾個ps，即所謂光孤子脈沖。因此用孤子脈沖可以實現(xiàn)超大容量的光纖通信。