簡述光纖通信的工作原理

許杰

【摘要】 本文首先講述了光纖通信的定義，光纖通信的優點以及光纖的結構和分類；然后講述了光纖的傳輸特性和光纖通信的工作原理；最后介紹了光纖通信的發展趨勢。

【關鍵詞】 光纖通信 傳輸損耗 色散 光發射機 光中繼器 光接收機

一、光纖通信的概念

光纖通信是指以光波為載波，以光纖或者光纜為傳輸介質的通信方式。光纖通信的優點：（1）頻帶寬、通信容量大；（2）傳輸損耗低、中繼距離長；（3）光纖通信串話小，保密性強，使用安全；（4）抗電磁干擾能力強；（5）體積小、重量輕、便于敷設；（6）材料資源豐富。

二、光纖的結構和分類

光纖由纖芯和包層兩部分構成。纖芯是傳輸光信號的部分，包層除對纖芯進行保護之外，還將光信號封閉在纖芯中，不讓光信號泄露出去。

光纖的分類：按照纖芯的折射率的分布可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按照光纖中傳輸的模式數量，可分為單模光纖和多模光纖。

三、光纖的傳輸特性

1、損耗

光在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率會越來越小，這種現象稱為光纖的傳輸損耗。光纖的傳輸損耗是影響中繼距離的重要因素。吸收損耗和散射損耗是光纖本身的主要損耗。另外，耦合損耗是光源與光纖之間的損耗、連接損耗是光纖之間損耗等，這些都是光纖傳輸損耗的因素。為了實現低損耗傳輸，光纖有三個低損耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。況且隨著波長的增加，光纖的損耗會越來越小。

2、色散

光脈沖信號經光纖傳輸，到達輸出端會發生時間上的展寬，這種現象稱為色散。

（1）產生原因：光脈沖信號的不同頻率成分、不同模式，在光纖中傳輸時途徑不同，速度不同，到達終點所用時間不同，即群時延差引入了色散。（2）導致問題：信號波形畸變，表現為脈沖展寬，產生碼間干擾，增加誤碼率。限制帶寬，影響通信容量和傳輸速率。（3）光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導色散。（4）模式色散：不同模式的光傳輸途徑不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纖材料本身的折射指數隨波長而變化引起的色散。（6）波導色散：光纖的幾何結構不完善引起的色散。

四、光纖通信系統的構成框圖

光纖通信系統由光發射端機、光纖、光中繼器和光接收端機組成，見下圖所示。

1、光發射機

光發射機是實現電/光轉換的光端機。

發端：首先由電發射機發出電信號，送給光發射機，光發射機完成電/光轉換。光發射機的關鍵部件是光源，光源的主要功能是完成電/光的轉換。目前光纖通信中常用的光源有： 半導體激光二極管（LD）和 半導體發光二級管（LED）。由光發射機發出光信號以后送入光纖或者光纜進行傳輸。

2、光中繼器

由于光纖存在損耗和色散，光信號經過一段距離傳輸后會發生衰減和失真，如果不及時進行修復，很可能無法繼續向前傳輸。有可能信號衰減掉了，有可能嚴重變形，總之，必須馬上進行修復。修復的辦法就是：對衰減的信號進行放大，對失真的波形進行修復，把波形重新整形到發送端的狀態。

光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光-電-光轉換形式的中繼器，另一種是在光信號上直接放大的光放大器。

光-電-光轉換形式的中繼器：光中繼器需要先把光信號變成電信號 ，對電信號再放大、再定時、再整形以后，通過這三個過程，得到接近于發射端的光信號的復制，從而起到延長傳輸距離，提高信號質量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信號，無需轉換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統更加簡單和靈活。光放大器主要有半導體光放大器和光纖放大器兩大類。

3、光接收機

光接收機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。

收端：由光接收機把從光纖傳過來的光信號轉變為電信號。光接收機的核心部件是光檢測器，光檢測器的主要功能是完成光電轉換。然后把電信號傳給電接收機。

五、光纖通信的發展趨勢

（1）納米技術與光纖通信。將微電子機械系統（MEMS）技術應用光通信領域，開發光學器件，實現全光通信。（2）光交換是實現高速全光網的關鍵。未來通信網絡將是全光網絡平臺，光纖傳送的光信號直接進行交換。不需要將數據轉換成電信號才能進行交換，然后再轉換成光信號進行傳輸。（3）無源光網絡（PON）技術。無源光網絡作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術，其在光分支點不需要節點設備，只需安裝一個簡單的光光器即可，因此具有節省光纜資源、帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性高、建網速度快、綜合建網成本低等優點。（4）光孤子通信系統。光纖損耗和色散是影響光纖傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”。 由光纖非線性效應所產生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，因此利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題。endprint

【摘要】 本文首先講述了光纖通信的定義，光纖通信的優點以及光纖的結構和分類；然后講述了光纖的傳輸特性和光纖通信的工作原理；最后介紹了光纖通信的發展趨勢。

【關鍵詞】 光纖通信 傳輸損耗 色散 光發射機 光中繼器 光接收機

一、光纖通信的概念

光纖通信是指以光波為載波，以光纖或者光纜為傳輸介質的通信方式。光纖通信的優點：（1）頻帶寬、通信容量大；（2）傳輸損耗低、中繼距離長；（3）光纖通信串話小，保密性強，使用安全；（4）抗電磁干擾能力強；（5）體積小、重量輕、便于敷設；（6）材料資源豐富。

二、光纖的結構和分類

光纖由纖芯和包層兩部分構成。纖芯是傳輸光信號的部分，包層除對纖芯進行保護之外，還將光信號封閉在纖芯中，不讓光信號泄露出去。

光纖的分類：按照纖芯的折射率的分布可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按照光纖中傳輸的模式數量，可分為單模光纖和多模光纖。

三、光纖的傳輸特性

1、損耗

光在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率會越來越小，這種現象稱為光纖的傳輸損耗。光纖的傳輸損耗是影響中繼距離的重要因素。吸收損耗和散射損耗是光纖本身的主要損耗。另外，耦合損耗是光源與光纖之間的損耗、連接損耗是光纖之間損耗等，這些都是光纖傳輸損耗的因素。為了實現低損耗傳輸，光纖有三個低損耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。況且隨著波長的增加，光纖的損耗會越來越小。

2、色散

光脈沖信號經光纖傳輸，到達輸出端會發生時間上的展寬，這種現象稱為色散。

（1）產生原因：光脈沖信號的不同頻率成分、不同模式，在光纖中傳輸時途徑不同，速度不同，到達終點所用時間不同，即群時延差引入了色散。（2）導致問題：信號波形畸變，表現為脈沖展寬，產生碼間干擾，增加誤碼率。限制帶寬，影響通信容量和傳輸速率。（3）光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導色散。（4）模式色散：不同模式的光傳輸途徑不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纖材料本身的折射指數隨波長而變化引起的色散。（6）波導色散：光纖的幾何結構不完善引起的色散。

四、光纖通信系統的構成框圖

光纖通信系統由光發射端機、光纖、光中繼器和光接收端機組成，見下圖所示。

1、光發射機

光發射機是實現電/光轉換的光端機。

發端：首先由電發射機發出電信號，送給光發射機，光發射機完成電/光轉換。光發射機的關鍵部件是光源，光源的主要功能是完成電/光的轉換。目前光纖通信中常用的光源有： 半導體激光二極管（LD）和 半導體發光二級管（LED）。由光發射機發出光信號以后送入光纖或者光纜進行傳輸。

2、光中繼器

由于光纖存在損耗和色散，光信號經過一段距離傳輸后會發生衰減和失真，如果不及時進行修復，很可能無法繼續向前傳輸。有可能信號衰減掉了，有可能嚴重變形，總之，必須馬上進行修復。修復的辦法就是：對衰減的信號進行放大，對失真的波形進行修復，把波形重新整形到發送端的狀態。

光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光-電-光轉換形式的中繼器，另一種是在光信號上直接放大的光放大器。

光-電-光轉換形式的中繼器：光中繼器需要先把光信號變成電信號 ，對電信號再放大、再定時、再整形以后，通過這三個過程，得到接近于發射端的光信號的復制，從而起到延長傳輸距離，提高信號質量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信號，無需轉換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統更加簡單和靈活。光放大器主要有半導體光放大器和光纖放大器兩大類。

3、光接收機

光接收機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。

收端：由光接收機把從光纖傳過來的光信號轉變為電信號。光接收機的核心部件是光檢測器，光檢測器的主要功能是完成光電轉換。然后把電信號傳給電接收機。

五、光纖通信的發展趨勢

（1）納米技術與光纖通信。將微電子機械系統（MEMS）技術應用光通信領域，開發光學器件，實現全光通信。（2）光交換是實現高速全光網的關鍵。未來通信網絡將是全光網絡平臺，光纖傳送的光信號直接進行交換。不需要將數據轉換成電信號才能進行交換，然后再轉換成光信號進行傳輸。（3）無源光網絡（PON）技術。無源光網絡作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術，其在光分支點不需要節點設備，只需安裝一個簡單的光光器即可，因此具有節省光纜資源、帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性高、建網速度快、綜合建網成本低等優點。（4）光孤子通信系統。光纖損耗和色散是影響光纖傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”。 由光纖非線性效應所產生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，因此利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題。endprint

【摘要】 本文首先講述了光纖通信的定義，光纖通信的優點以及光纖的結構和分類；然后講述了光纖的傳輸特性和光纖通信的工作原理；最后介紹了光纖通信的發展趨勢。

【關鍵詞】 光纖通信 傳輸損耗 色散 光發射機 光中繼器 光接收機

一、光纖通信的概念

光纖通信是指以光波為載波，以光纖或者光纜為傳輸介質的通信方式。光纖通信的優點：（1）頻帶寬、通信容量大；（2）傳輸損耗低、中繼距離長；（3）光纖通信串話小，保密性強，使用安全；（4）抗電磁干擾能力強；（5）體積小、重量輕、便于敷設；（6）材料資源豐富。

二、光纖的結構和分類

光纖由纖芯和包層兩部分構成。纖芯是傳輸光信號的部分，包層除對纖芯進行保護之外，還將光信號封閉在纖芯中，不讓光信號泄露出去。

光纖的分類：按照纖芯的折射率的分布可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按照光纖中傳輸的模式數量，可分為單模光纖和多模光纖。

三、光纖的傳輸特性

1、損耗

光在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率會越來越小，這種現象稱為光纖的傳輸損耗。光纖的傳輸損耗是影響中繼距離的重要因素。吸收損耗和散射損耗是光纖本身的主要損耗。另外，耦合損耗是光源與光纖之間的損耗、連接損耗是光纖之間損耗等，這些都是光纖傳輸損耗的因素。為了實現低損耗傳輸，光纖有三個低損耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。況且隨著波長的增加，光纖的損耗會越來越小。

2、色散

光脈沖信號經光纖傳輸，到達輸出端會發生時間上的展寬，這種現象稱為色散。

（1）產生原因：光脈沖信號的不同頻率成分、不同模式，在光纖中傳輸時途徑不同，速度不同，到達終點所用時間不同，即群時延差引入了色散。（2）導致問題：信號波形畸變，表現為脈沖展寬，產生碼間干擾，增加誤碼率。限制帶寬，影響通信容量和傳輸速率。（3）光纖的色散主要有模式色散、材料色散和波導色散。（4）模式色散：不同模式的光傳輸途徑不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纖材料本身的折射指數隨波長而變化引起的色散。（6）波導色散：光纖的幾何結構不完善引起的色散。

四、光纖通信系統的構成框圖

光纖通信系統由光發射端機、光纖、光中繼器和光接收端機組成，見下圖所示。

1、光發射機

光發射機是實現電/光轉換的光端機。

發端：首先由電發射機發出電信號，送給光發射機，光發射機完成電/光轉換。光發射機的關鍵部件是光源，光源的主要功能是完成電/光的轉換。目前光纖通信中常用的光源有： 半導體激光二極管（LD）和 半導體發光二級管（LED）。由光發射機發出光信號以后送入光纖或者光纜進行傳輸。

2、光中繼器

由于光纖存在損耗和色散，光信號經過一段距離傳輸后會發生衰減和失真，如果不及時進行修復，很可能無法繼續向前傳輸。有可能信號衰減掉了，有可能嚴重變形，總之，必須馬上進行修復。修復的辦法就是：對衰減的信號進行放大，對失真的波形進行修復，把波形重新整形到發送端的狀態。

光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光-電-光轉換形式的中繼器，另一種是在光信號上直接放大的光放大器。

光-電-光轉換形式的中繼器：光中繼器需要先把光信號變成電信號 ，對電信號再放大、再定時、再整形以后，通過這三個過程，得到接近于發射端的光信號的復制，從而起到延長傳輸距離，提高信號質量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信號，無需轉換成電信號，對信號的格式和速率具有高度的透明性，使得整個光纖通信傳輸系統更加簡單和靈活。光放大器主要有半導體光放大器和光纖放大器兩大類。

3、光接收機

光接收機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。

收端：由光接收機把從光纖傳過來的光信號轉變為電信號。光接收機的核心部件是光檢測器，光檢測器的主要功能是完成光電轉換。然后把電信號傳給電接收機。

五、光纖通信的發展趨勢

（1）納米技術與光纖通信。將微電子機械系統（MEMS）技術應用光通信領域，開發光學器件，實現全光通信。（2）光交換是實現高速全光網的關鍵。未來通信網絡將是全光網絡平臺，光纖傳送的光信號直接進行交換。不需要將數據轉換成電信號才能進行交換，然后再轉換成光信號進行傳輸。（3）無源光網絡（PON）技術。無源光網絡作為一種新興的覆蓋“最后一公里”的寬帶接入光纖技術，其在光分支點不需要節點設備，只需安裝一個簡單的光光器即可，因此具有節省光纜資源、帶寬資源共享、節省機房投資、設備安全性高、建網速度快、綜合建網成本低等優點。（4）光孤子通信系統。光纖損耗和色散是影響光纖傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”。 由光纖非線性效應所產生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，因此利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題。endprint