光纤通讯资料收集

简介

• 利用光与光纤传递信息的一种方式，有线通讯的一种
• 传输容量大，保密性好等优点
• 将发送的信息输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波，然后将调制的载波传输媒质发送到接收端，接收机调节出原来的信息
• 主要领域
  • 光纤电缆
  • 光器件
  • 光设备
  • 光通信仪表
  • 光通信集成电路
• 通信步骤
  • 发射机：产生光信号
  • 光纤传递信号：必须确保光信号在光纤中不会衰减或者严重变形
  • 接收机：接受光信号，转化为电信号

核心技术

光纤通讯系统多半包括一个发射机，将电信号转化为光信号，再透过将光信号传递。光纤过半埋在地下，链接不同建筑。系统中包括光放大器，以及一个光接受机将光信号转化回电信号。光纤通讯系统中传递的多半是数字信号。

发射机

• 光源：发光二极管（发出非相干性光）或者是激光二极管（发出相干性光）
  • 非相干性光
    • 定义：波峰和波谷位置随机的光波，即不具有固定的相位关系。振幅和相位都是随机变化的，不会产生干涉现象。
    • 特性
      • 随机性：辐射是随机的，波峰波谷没有固定关系
      • 无干涉：由于随机性，所以不会产生干涉现象（明暗相间的干涉条纹）
      • 宽频谱：往往具有较宽的频谱范围，包含多种波长的光波
    • 例子：太阳光，白炽灯，LED
    • 应用
      • 医学成像：由于非相干光可以在不同的物质中散射和传播，所以可以准确成像。
  • 相干性光
    • 定义：具有稳定相位关系的光波，在重叠区域产生明显的干涉现象（两列或多列光波在空间某处相遇时，如果频率相同、振动方向相同且相位差恒定，就会发生干涉，形成明暗相间的干涉条纹）。
    • 特性
      • 频率相同：相干光波的频率必须相同，这是产生干涉的必要条件
      • 振动方向相同：光波振动方向必须相同：不然干涉效果会被削弱或者抵消
      • 相位差恒定：相干光波之间的相位差需要保持恒定，形成稳定的干涉条纹
      • 时间相干性：描述光波在同一空间点但是不同时刻的相干性，取决光源的发光特性
      • 空间相干性：描述光波在同一时刻但是不同空间点的相干性，受光源大小影响
    • 例子：激光
    • 应用
      • 光纤通讯：在光纤通信系统中，利用相干检测技术可以提高信号接收的信噪比和传输距离。相干光具有高速、大容量、长距离传输优点，是未来光通信的重要发展方向之一
        • 信噪比：是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。在通信、电子工程、声学、视频处理等领域中，信噪比是一个非常重要的参数，用于衡量信号的质量或纯净度
• 半导体光源的好处：体积小、发射效率高、可靠度好、可以将波长优化，重要的是半导体光源可以再高频操作下直接调制，适合光纤通讯系统的需求
• LED：借着电激光的原理发出非相干性的光，频谱通常分散在300纳米-600纳米之间。
  • 缺点：发光效率差，通常只有输入功率的40%-50%可以转化为光功率，消耗功率为50～60mW(millowatt)左右。
  • 成本低廉，常用在低价应用中
  • 主要材料：砷化镓或者砷化镓磷，后者的发光波长为1300纳米，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通信。
    • 为什么波长长的适合光纤通讯？
      • 衰减度较小：光纤通讯中，衰减度与波形长度有关，波形越长，衰减越小。所以使用波长较长的光进行通讯时，信号在光纤中传输时损耗会减小
      • 零吸收特性：波长850nm、1310nm和1550nm的光纤中几乎具有零吸收，这意味着这些波长的光在光纤中传输时不会被大量吸收，从而保证了信号传输的稳定性和可靠性。
      • 波长的选择不仅与衰减度有关，还与光纤的类型（单模或多模）有关。850nm波长区通常用于多模光纤通讯，1550nm常用于单模光纤通讯。
  • 频谱广导致色散严重，限制了传输速率与传输速率的乘积。LED通常在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网，传输距离也在数公里之内。
  • 目前有LED内包含了数个量子井的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，广泛用在区域性的波分复用网络中。
    • 量子井
      • 定义：电子的德布罗意波长可比的微观尺度上的势井，这种结构通过在不同禁宽度的半导体材料之间形成级井，限制电子和空穴的运功。

光纤

光纤线缆包含一个纤芯，纤壳以及外层的保护被覆。和兴与折射率较高的纤壳通常用高质量的硅石玻璃制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的丙烯酸聚合物被覆，可以如同铜缆用于埋藏地下，不需要太多维护费用。如果光纤弯折太过剧烈，仍然会有折断的风险；而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤难以重新接合。

• 分类
  • 多模
    • 优点：纤芯直径大>=50微米，对发射机和连接器的要求低
    • 缺点：引入多模色散，限制了系统的带宽和长度；由于具有更高的杂志含量，有更高的衰减。
  • 单模
    • 优点：能够搭建传输距离长、性能更好的系统。
    • 缺点：纤芯直径小<=10微米；对发射机和连接器的要求高

单模和多模光纤都有不同的等级。

光放大器

光放大器是一种能够放大光信号的设备，它在光通信系统中扮演着至关重要的角色。光放大器的主要功能是提高光信号的功率，以补偿光信号在传输过程中由于衰减、色散等因素导致的能量损失，从而确保光信号能够传输更远的距离或满足接收端对信号功率的要求。

• 工作原理：受激辐射的光放大过程。当光信号通过放大器，放大器中的增益介质会被光信号中的光子激发，产生更多的光子，实现信号放大。
• 分类
  • 按增益介质分类
    • 掺铒光纤放大器(EDFA)：利用掺铒光纤作为增益介质，具有高增益、高带宽和低噪声等优点，是目前光通信系统中应用最广泛的光放大器之一。
    • 半导体光放大器(SOA)：利用半导体材料作为增益介质，具有高速、高集成度等优点，适用于高速光通信和光信号处理等领域。
    • 拉曼光放大器：利用拉曼散射效应实现光放大，具有宽带宽、低噪声等优点，适用于长距离光通信和光纤传感等领域。
      • 拉曼散射效应：
  • 按放大方式分类
    • 前置放大器：位于接收端之前，提高接收灵敏度。
    • 线路放大器：位于传输线路中，用于补偿光信号在传输过程中的衰减。
    • 功率放大器：位于发送端之后，提高发射功率。
• 特点
  • 高增益：光放大器能够显著提高光信号的功率，从而延长光信号的传输距离。
  • 高带宽：一些光放大器（如EDFA）具有较宽的放大功率，能够支持多波长同时放大。
  • 低噪声：光放大器在放大光信号的同时，引入的噪声相对较小，对信号质量影响较小。
  • 透明传输：光放大器在放大光信号的波长、调制格式等参数具有透明性，即不同波长、不同调制格式的光信号都可以通过光放大器放大。
    • 什么是调制格式？
      • 定义：将数字信息转化为模拟信号的一种规则或方法。
      • 作用：将基带信号班一道高频载波上，实现频谱的搬移，从而适应信道的传输特性。
      • 常见的调制格式
        • 幅度调试(ASK)：通过改变载波的幅度来传递信息。
        • 频率调制(FSK)：通过改变载波的频率来传递信息。
        • 相位调制(PSK)：通过改变载波的相位传递信息。
      • 判决门限：接收端使用一个判决门判断接收的信号时“0”还是“1”。判决门限通常设置在信号特征的中间点，如幅度、频率或相位的中间值。当接收到的信号特征超过这个门限时，被判决为一个状态（如“1”），否则被判决为另一个状态（如“0”）。

接收机

光接收机的主要组件时光侦测器，利用光电效应将入射光信号转化为电信号（光侦测器通常是半导体为基础的光电二极管）。

• 工作原理：使用转租放大器+限幅放大器处理由光侦测器装换出的光电流，转租放大器和限幅放大器可以将光电流转换为幅度较小的电压信号，在透过后端的比较器电路转化为数字信号。
• 对于高度光纤通信系统而言，信号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收机电路输出的数字信号变形超出规格，通常在接收机电路的后级也会加上主频及资料恢复电路以及锁相回路将信号做适度处理再输出。

波分复用

波分复用实际做法就是将光纤的工作波长分割为多个channel，使得在同一条光纤内传输更大量的资料一个完整的波分复用系统分为发射端的波分复用器和接收端的波长分波解多共器。目前市面上商用的波分复用器/解多工器，最多可以将光纤通信系统分成80个通道，资料传输速度突破Tb/s。

系统参数

• 带宽距离乘积（BL积）

  于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响信号质量。因此常用于评估光纤通信系统的一项指针就是带宽-距离乘积（BL积），单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指针的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍（trade off）。

• 传输速率

  每根光纤可以承载许多独立的通道，每个通道使用不同波长的光（波分复用）。每条光纤的净数据速率（没有开销字节的数据速率）是每通道数据速率减少了FEC开销，乘以信道数量。

• 信号色散

  对于现代的玻璃光纤而言，最严重的问题并非信号的衰减，而是色散问题，也就是信号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠，使得接收端难以判别信号的高或低。造成光纤内色散的成因很多。以模态色散为例，信号的横模（transverse mode）轴速度（axial speed）不一致导致色散，这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中，模态间的色散可以被压抑得很低。

  但是在单模光纤中一样有色散问题，通常称为群速色散（group-velocity dispersion），起因是对不同波长的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布，这也造成了光波在光纤内部会因为波长的些微差异而有不同的折射行为。另外一种在单模光纤中常见的色散称为偏振态色散（polarization mode dispersion），起因是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波，但是这个横模的光波却可以有两个方向的偏振（polarization），而光纤内的任何结构缺陷与变形都可能让这两个偏振方向的光波产生不一样的传递速度，这又称为光纤的双折射现象（fiber birefringence）。这个现象可以透过偏振保持光纤（polarization-maintaining optical fiber）加以抑制。

• 信号衰减

  信号在光纤内衰减也造成光放大器成为光纤通信系统所必须的组件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞利散射、米氏散射以及连接器造成的损失。其他造成信号衰减额原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动，或是接合的技术仍有待加强。

• 现代的光纤通信系统因为引进了很多新技术降低信号衰减的程度，因此信号再生只需要用于距离数百公里远的通信系统中。这使得光纤通信系统的建置费用与维运成本大幅降低，特别对于越洋的海底光纤而言，中继器的稳定度往往是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非线性现象。此外，光孤子也是另外一项可以大幅降低长距离通信系统中色散的关键技术。