光电43光纤通信

§4.3光纤通信§4.3.1光纤通信原理及构成§4.3.2光纤通信系统§4.3.3光纤网络系统

通信就是把信息从一点尽量准确、高速的传输到另一点。概述光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式，由于光纤通信技术无可比拟的优越性，已成为现代通信网的基石。光纤通信技术的发展速度之快，只有计算机这个领域可与其匹敌。光纤通信的两个要素：具有低损耗的光传输介质，合适的光源，二者缺一不可。

1966年7月，英国标准电信研究所的英籍华人高锟博士，就光纤传输的前景发表了有重大意义的论文，论述了造成光纤损耗的主要原因，并从理论上分析：如果能去除玻璃上的杂质，就有可能使光的传输损耗大大降低，可降低到每千米20dB左右。这篇论文使许多国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。光纤通信发明家高锟（左）1998年在英国接受IEE（InstitutionofElectricalEngineers）授予的奖章光纤对光源提出的要求：带宽窄体积小高效稳定性好发光波长与光纤的小损耗窗口一致

这一重任历史性的由半导体激光器来承担。1970年是光纤通信元年。§4.3.1光纤通信原理及构成光发送机电发送机电接收机光接收机中继器图4.3.1-1光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成如图4.3.1-1所示，主要由3部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。一、光纤

图4.3.1-2为光纤的横截面示意图，光纤基本由3部分组成：1、折射率略高的纤芯；2、折射率略低的包层；3、表面涂层。图4.3.1-2光纤的横截面示意图

光纤（Opticalfiber）是由纯石英拉制而成的高度透明的玻璃丝。ab纤芯包层涂层根据纤芯折射率径向分布的不同，光纤可分为阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤，如图4.3.1-3所示。(a)阶跃折射率分布光纤(b)渐变折射率分布光纤图4.3.1-3纤芯折射率径向分布2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。这里，仅对阶跃折射率分布光纤的射线理论分析方法进行介绍。图4.3.1-4表示光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。图4.3.1-4光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径n2n1n0θiθrφ一束光线以与光纤轴线成θi的角度入射到芯区中心，在光纤－空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定折射光到达纤芯－包层界面时，若入射角大于临界角时，将发生全反射，若包层折射率为n2，则定义为式中，n0和n1分别为空气和纤芯的折射率。（4.3.1-1）（4.3.1-2）此时所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。称为光纤的数值孔径（NumericalAperture，NA），代表光纤的集光能力。（4.3.1-3）为实现全反射，对光线的入射角有一个最大值限制，以替代，利用式4.3.1-1和4.3.1-2可得对于，NA可近似为式中，Δ为光纤的纤芯－包层相对折射率差。利用导波理论可将光纤分为多模光纤与单模光纤。多模光纤的纤芯直径50μm，单模光纤的纤芯直径8~12μm，包层直径均为125μm。在多模光纤中，可以激励起大量的传输模式，不同模式在横向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配给这些模式进行传播，不同模式在轴向的传播常数不同。在单模光纤中，通常只能激励起一个模式，称为基模。（4.3.1-4）包层芯包层n1n2低次模基模高次模光纤有两个重要的传输特性，一个是损耗特性，一个是色散特性，分别决定了光纤通信系统的传输距离和传输容量。

（1）光纤的损耗

用衰减系数表示光纤的衰减特性，定义为（4.3.1-5）例：当工作波长λ=1.31μm，某光纤的损耗为0.5dB/km，如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过40km以后，输出光功率？

图4.3.1-5单模光纤的损耗谱特性1.55μm1.3μm（2）光纤的色散色散（Dispersion）是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能使两个相邻脉冲发生重叠，重叠严重时使接收机无法区分它们，造成误码。色散的动态图示对于单模光纤，用色散参数D来描述色散的程度，代表两个波长间隔1nm的光波在光纤中传输1km距离后的时迟差。

，光纤长度为如果光源发射波长范围为色散对通信容量（比特率·距离积）的限制，可以利用不产生相邻脉冲重叠的准则估计。设发送信号的比特率为B，相应比特间隔为，则应有对容量的限制为（4.3.1-7）色散的种类：则时迟差为（4.3.1-6）单模光纤中存在波导色散和折射率色散。模式色散：用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。

材料色散：光源有一定的谱宽，由于光纤材料的折射率与光频率有关，于是不同的波长引起不同的群速度。1.311.55光纤标准和应用

G.651多模渐变型(GIF)光纤应用于中小容量、中短距离的通信系统。

G.652常规单模光纤是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。

G.653色散移位光纤是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。

G.655色散平坦光纤主要用于波分复用系统。偏振模色散xy

前沿：二、光发送机光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。数字光发送机的组成框图如图4.3.1-6所示。图4.3.1-6数字光发送机的组成框图输入接口线路编码调制电路控制电路光源电信号输入光信号输出

1、线路编码在数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电平码，常见的编码方式有扰码、mBnB码、插入码等。2、光源与调制电路目前的光纤通信系统采用半导体激光器（LD）作为光源，在低通信容量系统中，也可选用LED做光源。电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与间接调制。在低速率系统中，可以采取直接调制方式，即用电信号直接调制半导体光源的驱动电流，如图4.3.1-7所示，输出光功率随驱动电流而变化。

图4.3.1-7直接光强数字调制原理在高速系统中，要采用专用的外调制器。见本书§1.2.3IP输入电信号输出光信号高电平对应有光，低电平对应无光。三、光接收机（OpticalReceiver

）光接收机是接收光信号的设备，是光纤通信系统的重要组成部分。在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由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。图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。图4.3.1-8数字光接收机组成框图光信号光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器译码电信号AGC电路时钟恢复101011判决再生1、光电检测器：负责光电转换，实现光信号转换成电信号，也就是对光进行解调。主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD两种。2、前置放大器：负责对光电检测器产生的微弱电流信号进行放大。由于前端噪声对整个放大器输出噪声影响甚大，因此前置放大器必须是低噪声和高带宽的。其输出一般mV量级。3、主放大器：提供足够的增益，将输入信号放大到判决电路所需要的电平（峰－峰值一般为1～3V）。6、AGC电路：控制主放大器的增益，使得输出信号的幅度在一定的范围内不受输入信号幅度的影响。4、均衡滤波：均衡滤波器的作用是对主放大输出的失真数字脉冲进行整形，保证判决时不存在码间干扰，以得到最小的误码率。5、判决、码译与时钟恢复：负责对信号进行再生。光收发合一模块外形

（深圳飞通光电股份有限公司提供）数字光接收机的指标：图4.3.1-10码元的判决TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t1、

误码率

误码率（BitErrorRatio，BER）是数字光接收机的性能标准，是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。对于PCM（PulseCodeModulation,脉冲编码调制）码流，通常认为“1”码与“0”码出现的概率P(1)、P(0)是相等的，如果将“0”码误判为“1”码的概率为P(1/0)，将“1”码误判为“0”码的概率为P(0/1)，则误码率为：（4.3.1-9）2、

灵敏度灵敏度是数字光接收机最重要的指标，它直接决定光纤通信系统的中继距离和通信质量。数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。§4.3.2光纤通信系统一、时分复用系统根据通信系统信道中所传送的信号是模拟信号还是数字信号，可将其分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信采用再生的方法，可以消除噪声累积，传输距离比较长。取样、量化、编码的过程称为脉冲编码调制，简称PCM，由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信，这是目前数字通信的主要方式。光纤具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信息，但传送音频信号仅需64kbit/s的速率，很不经济。可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤中可以用3种复用方法方法提高通信容量，即时分复用、波分复用及频分复用。

时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是将不同信道的信号在时间上交替排列组合成复合比特流。例如，对于64kbit/s的单音频信道，比特间隔为15s（125s/8），若将其他64kbit/s比特流延迟3s插入，就可插入5个这样的信道，图4.3.2-1显示了320kbit/s的复合比特流。图4.3.2-15个64kbit/s数字音频信道的时分复用15s3st振幅231452314523145

TDM的概念可以扩展到形成不同的群路等级，国际电信联盟（InternationalmunicationsUnion，ITU）曾作过规定，将多路编码数字电话按两种标准组成各种群路。为了便于在接收端将复合信号分开，在复合比特流中插入了额外的控制位。因此，复合比特率略大于64kbit/s与复用信道数的乘积。将4个基群通过TDM复合成6.312Mbit/s和8.448Mbit/s的二次群，继续这种复用可获得更高的群路等级。表4.3.2-1即为按此复合方法合成的群路等级体系中4个不同群路的比特率。群路等级标准话路数比特率/Mbit/s

北美欧洲日本北美欧洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728表4.3.2-1数字通信系统群路等级及其标准比特率二、波分复用系统如右图所示，单模光纤具有非常宽的带宽。在1.3μm（1.25~1.35μm）波段和1.55μm（1.50~1.60μm）波段，都具有高达100nm的低损耗传输范围。另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm，因此，在一根单模光纤中，利用光的独立传播原理，可同时传输多个不同波长的信号。波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图复用器解复用器光放大器光接收机1光接收机2光接收机n光发送机1光发送机2光发送机n……λ1λ2λnλ1λ2λnλ1λ2…λn光纤图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图。

随着1.55μm波段掺铒光纤放大器（ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA）的商用化，可以利用EDFA对传送的光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，WDM系统得到了极其广泛的应用。光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器是在信号通过的纤芯中掺入了少量的稀土元素铒离子Er3+

的光信号放大器，是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的，它是光纤通信中最伟大的发明之一。

在DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，密集波分复用）系统中，复用器/解复用器和光放大器是两个关键的组成单元，下面进行简单介绍。图4.3.2-3闪烁光栅波分复用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纤透镜闪烁光栅1、

复用器/解复用器波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。这里介绍闪烁光栅波分复用器。如图4.3.2-3所示，当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。闪烁光栅波分复用器具有优良的波长选择性，波长的间隔可以小于1nm，复用信道数已达120路。其隔离度也较好，当波长间隔为1nm时可以达到55dB。缺点是插入损耗较大，通常为3~8dB。λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纤透镜闪烁光栅2、光放大器

掺铒光纤放大器

宽带光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器（ErDopedFiberAmplifier，EDFA），其特点是高增益、低噪声、能放大不同速率和调制方式的信号，而且带宽很宽，能在几十纳米范围内同时放大多波长信号。（1）EDFA构成图

EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图：EDFA光纤放大器构成原理图输入光信号隔离器耦合器掺铒光纤隔离器光滤波器输出光信号泵浦光源铒离子能带图1550nm（2）掺铒光纤放大器放大原理-E3E2E1输出强光信号受激辐射跃迁输入弱光信号无辐射跃迁激发态亚稳态基态能量电子吸收泵浦光跃迁

Er3+离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳态、基态。激发态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量差与1550nm的光子能量相同。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，使处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤时，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。

Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm。

Er3+离子受激辐射的同时，少部分离子以自发辐射的形式跃迁到基态，产生带宽极宽的非相干光，并在传输中不断被放大，形成自发辐射噪声，消耗部分泵浦功率，故需在输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪声。掺铒光纤长约10-30m，泵浦光源波长980nm或1480nm。掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。为什么要在光纤放大器中掺杂铒元素来提高光波的强度？为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm？铒是一种稀土元素，稀土元素具有特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在光学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但实践证明波长980nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长1480nm的泵浦光源。监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD探测器泵浦LD输入隔离器输入WDM输出耦合器输出隔离器输出WDM掺铒光纤热沉光输入＋5V0V-5V电源监视激光器驱动输入光输出（3）实用EDFA外形图：在EDFA的应用中，需要解决两个问题：一是增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需要放大的所有信道提供相同的增益。二是增益的带宽，人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系统的信道数目。——宽度和平坦度目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（WDM）+色散管理+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。从拓扑结构看，通信网可分为三类，即点到点、点到多点及网络，如图4.3.3-1所示，分别将结点连接起来传送信息。12123N12345§4.3.3光纤网络系统

(a)点到点(b)点到多点(c)网络图4.3.3-1通信网的三种基本拓扑结构根据网络