简述光纤通信的工作原理

【摘 要】本文首先讲述了光纤通信的定义,光纤通信的优点以及光纤的结构和分类；然后讲述了光纤的传输特性和光纤通信的工作原理；最后介绍了光纤通信的发展趋势.

【关 键 词】光纤通信传输损耗色散光发射机光中继器光接收机

一、光纤通信的概念

光纤通信是指以光波为载波,以光纤或者光缆为传输介质的通信方式.光纤通信的优点：（1）频带宽、通信容量大；（2）传输损耗低、中继距离长；（3）光纤通信串话小,保密性强,使用安全；（4）抗电磁干扰能力强；（5）体积小、重量轻、便于敷设；（6）材料资源丰富.

二、光纤的结构和分类

光纤由纤芯和包层两部分构成.纤芯是传输光信号的部分,包层除对纤芯进行保护之外,还将光信号封闭在纤芯中,不让光信号泄露出去.

光纤的分类：按照纤芯的折射率的分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤.按照光纤中传输的模式数量,可分为单模光纤和多模光纤.

三、光纤的传输特性

1.损耗

光在光纤中传输,随着传输距离的增加,光功率会越来越小,这种现象称为光纤的传输损耗.光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素.吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗.另外,耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等,这些都是光纤传输损耗的因素.为了实现低损耗传输,光纤有三个低损耗窗口：0.85um,1.31um,1.55um.况且随着波长的增加,光纤的损耗会越来越小.

2.色散

光脉冲信号经光纤传输,到达输出端会发生时间上的展宽,这种现象称为色散.

（1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分、不同模式,在光纤中传输时途径不同,速度不同,到达终点所用时间不同,即群时延差引入了色散.（2）导致问题：信号波形畸变,表现为脉冲展宽,产生码间干扰,增加误码率.限制带宽,影响通信容量和传输速率.（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散.（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同,速度不同所引起的色散.（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散.（6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散.

四、光纤通信系统的构成框图

光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成,见下图所示.

光发射机是实现电/光转换的光端机.

发端：首先由电发射机发出电信号,送给光发射机,光发射机完成电/光转换.光发射机的关键部件是光源,光源的主要功能是完成电/光的转换.目前光纤通信中常用的光源有：半导体激光二极管（LD）和半导体发光二级管（LED）.由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输.

由于光纤存在损耗和色散,光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真,如果不及时进行修复,很可能无法继续向前传输.有可能信号衰减掉了,有可能严重变形,总之,必须马上进行修复.修复的办法就是：对衰减的信号进行放大,对失真的波形进行修复,把波形重新整形到发送端的状态.

光纤通信中光中继器的形式主要有两种,一种是光-电-光转换形式的中继器,另一种是在光信号上直接放大的光放大器.

光-电-光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变成电信号,对电信号再放大、再定时、再整形以后,通过这三个过程,得到接近于发射端的光信号的复制,从而起到延长传输距离,提高信号质量的效果.

光放大器：光放大器能直接放大光信号,无需转换成电信号,对信号的格式和速率具有高度的透明性,使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活.光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类.

3.光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机.它由光检测器和光放大器组成.

收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号.光接收机的核心部件是光检测器,光检测器的主要功能是完成光电转换.然后把电信号传给电接收机.

五、光纤通信的发展趋势

（1）纳米技术与光纤通信.将微电子机械系统（MEMS）技术应用光通信领域,开发光学器件,实现全光通信.（2）光交换是实现高速全光网的关键.未来通信网络将是全光网络平台,光纤传送的光信号直接进行交换.不需要将数据转换成电信号才能进行交换,然后再转换成光信号进行传输.（3）无源光网络（PON）技术.无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术,其在光分支点不需要节点设备,只需安装一个简单的光光器即可,因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点.（4）光孤子通信系统.光纤损耗和色散是影响光纤传输容量和距离的主要因素.由于光纤制作工艺的不断提高,光纤损耗已接近理论极限,因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”.由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用,因此利用光孤子进行通信,可以很好解决这个问题.