第 9 章光纤通信系统简介

第9章光纤通信系统简介 9.1 光纤通信系统的基本组成 9.2 光复用技术 9.3 光纤通信系统的分类 9.3 光纤通信的发展现状 9.4 光纤通信新技术

9.1 光纤通信系统组成和基本原理  光纤通信概念光纤通信是光波为载波，光纤为传输介质的通信方式。光纤只能传输光信号，不能传输电信号，通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电转换。

数字信号传输过程 系统中的各种干扰最终产生误码

光发射机 光接收机光纤光缆光纤光缆输入中继器光电检测输出放大恢复调制光源电信号电信号  光纤通信系统组成一个基本的光纤通信系统由三大部分构成：光发射机、光纤光缆、光接收机。

1、光发射机 光发射机的功能：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。驱动电路信号输入通道耦合器调制器光源光纤

光源： • 光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。 • 通信用光源的要求如下：发射的光波长应和光纤通信使用的“窗口”一致，即中心波长应在1.31m和1.55m附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。

光源： • 光源种类：光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。 • LD输出光功率较大，响应速度快，谱线窄，方向性好，适合长距离，大容量的通信系统。但寿命较短，价格高。 • LED光功率较小，谱线宽，调制速率较低，寿命较长，价格低。适合短距离，小容量的通信系统。 • 在短波段(800~900nm)，常使用镓铝砷(GaAlAs)LD和LED，在长波段(1000~1600nm)，常用铟镓砷磷(InGaAsP)LED

光信号调制方式： • 光信号是用电信号调制光载波产生的。分为直接调制和外调制两种。 • 直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。广泛应用的是直接光强(功率)调制。 • 外调制：在光路上设置一个光调制器对光进行调制。

 内调制（直接调制） 将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED LD 输入接口线路编码调制电路耦合器电信号输入光信号输出控制电路

模拟信号对 LD 调制

数字信号对 LD 调制

对 LD 直接调制 输出光信号反映输入电信号。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码， “无光脉冲”表示“0”码。

 外调制 将调制信号控制调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变。电接口数据线路编码驱动电路光隔离器控制电路调制器 LD 防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输

外调制方法 M-Z型电光调制器激光部分调制部分电吸收调制器

外调制示意图

① M-Z型电光幅度调制器

电光调制器工作原理 两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的电场方向相反，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入的相位变化/2，那么在B分支则引入-/2相位的变化，因此A、B分支将引入相位的变化。

电光调制器工作原理 • 由于外加电场控制着两个分支中相干光的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，从而对幅度进行了调制。调制带宽可达 20 GHz。

x’ y’ y 加电压前 x 电光调制器工作原理电光调制器基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化，即n = n（E），像LiNbO3这样的电光材料，它的折射率明显随施加的外电压而改变，从而实现对光的调制。

电光调制原理 当光沿晶体光轴z方向传播时，经过长度为L的晶体后，由于晶体的电光效应，两个正交的偏振分量将产生位相差： y y’ x’ x

电光调制原理 y y’ x’ x L P2 P1  V

电光调制原理 y y’ x’ x L P2 P1  -V

电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种p-i-n半导体器件，其 i 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。当调制电压使 p-i-n 反向偏置时，入射光完全被 i 层吸收，相当于输出 “0” 码；反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被 i 层吸收而让其通过，相当于输出 “1” 码，从而实现对入射光的调制。 ② 电吸收波导调制器

② 电吸收波导调制器 • 电吸收调制器(EAM, Electro Absoption Modulator)是一种p-i-n半导体器件，其 i 层由多量子阱（MQW）波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。 • 当调制电压使 p-i-n 反向偏置时，入射光完全被 i 层吸收，相当于输出 “0” 码； • 反之，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被 i 层吸收而让其通过，相当于输出 “1” 码，从而实现对入射光的调制。

电吸收调制器透光率和反向偏压的关系 电吸收调制器是一种p-i-n半导体器件，其 i 层由多量子阱（MQW）波导构成。 i 层对光的吸收损耗与外加的电压有关。

电吸收调制器吸收系数和波长的关系

光发射机的参数 • 发送光功率（dBm） P=10 lg [ P(mW) / 1(mW)] 以1mW为基准的、用分贝表示的功率。

光传输部分－－光纤 光纤传输特性主要包括损耗、色散和非线性三个方面。光纤通信系统对光纤传输特性总的要求是有尽可能低的损耗和尽可能小的色散。 • 损耗 • 由于损耗效应，使信号光强度大大减弱，低于接收探测器的灵敏度后系统不能正常工作。 • 可以通过光放大技术进行补偿 • 色散 • 由于色散引起的信号畸变。 • 对于高速率的系统（ 10Gb/s及以上）要实现长距离传输，必须采用色散补偿技术。色散补偿光纤(DCF)补偿法、啁啾光纤光栅(DCG)补偿法。

2、光接收机： • 光接收机的功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 • 光接收机组成：由光探测器、放大器和相关电路组成，光探测器是光接收机的核心。 • 对光探测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。

光纤通信系统常用探测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD光纤通信系统常用探测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD 短波长段：Si-APD 长波长段：Ge-APD； InGaAsP-APD；PIN • 接收方式：直接检测方式/外差检测方式 直接检测的设备简单、经济，是当前实用光纤通信系统普遍采用的接收方式。 外差检测方式能大幅度提高光接收机的灵敏度，但设备比较复杂，对光源的频率稳定度和光谱宽度要求很高。

光接收机组成框图 前端线性通道时钟提取与数据再生光信号判决器光电探测前置放大主放大器均衡滤波输出时钟恢复 AGC电路性能指标:接收灵敏度、信噪比对信号进行高增益放大与整形

 光接收机的前端 • 前端：由光电探测器和前置放大器组成。 • 作用：将耦合入光电探测器的光信号转换为电流信号，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。 • 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽

光检测器的选择：要视具体应用场合而定。 • PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。 • APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。 • 从简化接收机电路考虑，一般情况下大多采用PIN光电二极管作光探测器。 • 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。

对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的波形。对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的波形。提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。线性通道

判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，以确定某时隙码元为“1”还是为“0”，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输出一个“0”。判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，以确定某时隙码元为“1”还是为“0”，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输出一个“0”。为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的波形恢复成数字信号输出判决器 1 1 0 1 0 1 时钟恢复

判决、再生过程 判决电压均衡器输出波形时钟再生后的信号

3、光中继器 • 光脉冲经过光纤传输一定距离后，由于光纤的损耗和色散的影响，其幅度衰减，波形发生畸变，限制了长距离传输。为此需要一个光中继器来放大衰减的信号，恢复畸变了的信号。光接收机光发射机光纤光缆光纤光缆输入中继器光电检测放大恢复调制光源电信号

 光中继器的3R功能： 3R： re-amplifying 再放大（光放大器的功能） re-timing 再定时（消除时间抖动） re-shaping 再整形（消除波形畸变）通过这3个R，得到接近于发射端的光信号的 copy，从而延长传输距离，提高信号质量。

3R再生功能 放大消除波形畸变消除时间抖动

光中继方式：光—电—光方式和光—光方式两种光中继方式：光—电—光方式和光—光方式两种 • 光—电—光方式： • 实际上是一个接收机一个发送机对，它将检测到的微弱变形光信号，变为电信号，经放大整形后变成规则的电比特流，再调制光发送机，恢复原光比特流继续沿光纤传输。 • 光一光方式：是直接将光信号进行光放大，而无须先将光信号转换成电信号。近年来迅速发展起来的光放大器，就可以用于光——光中继方式的光放大器。

 光放大器 • 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 • 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。 • 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继 • 光放大器（O-O-O） • 多波长放大、低成本，只能实现1R中继

光放大器的原理 • 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。 • 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 • 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。

光放大器的类型 • 利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA） • 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） • 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）

几种光放大器的比较

掺铒光纤放大器EDFA简介 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定： • 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA-Er-Doped Fiber Amplifier) • 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) • 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) • 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。

为什么要用掺铒光纤放大器？ • 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； • 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； • 对数据率/格式透明，系统升级成本低； • 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)； • 全光纤结构，与光纤系统兼容； • 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； • 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。

泵浦能带 快速非辐射跃迁亚稳态能带基态能带 EDFA中的Er3+能级结构 • 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm • 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。吸收泵浦光光放大受激辐射受激吸收 1480nm 980nm 1550nm

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