论述光纤通信的基本原理,系统构成和关键技术
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发布时间：2022-04-30 01:42
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时间：2022-06-28 06:56
光纤通讯（Fiber-optic communication）也作光纤通信,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变（molation）后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了*性的作用，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。
根据信号调制方式的不同，光纤通信可以分为数字光纤通信，模拟光纤通信。光纤通信的产业包括了光纤光缆，光器件，光设备，光通信仪表，光通信集成电路等多个领域。
利用光纤做为通讯之用通常需经过下列几个步骤：
以发射器（transmitter）产生光讯号。
以光纤传递讯号，同时必须确保光讯号在光纤中不会衰减或是严重变形。
以接收器（receiver）接收光讯号，并且转换成电讯号。
光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
现代的光纤通讯系统多半包括一个发射器，将电讯号转换成光讯号，再透过光纤将光讯号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光讯号转换回电讯号。在光纤通讯系统中传递的多半是数位讯号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。
发射器
在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是雷射二极管（laser diode）。LED与雷射二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性（noncoherent），而后者则为同调性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。
LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在30纳米至60纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的1%可以转换成光功率，约是100毫瓦特（micro-watt）左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也*了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网路（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。目前也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波长分波多工网络中。
半导体雷射的输出功率通常在100微瓦特（mW）左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。雷射的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（model dispersion）。半导体雷射亦可在相当高的操作频率下进行调变，原因是其复合时间（recombination time）非常短。
半导体雷射通常可由输入的电流有无直接调变其开关状态与输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，雷射光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的电吸收光调变器（electroabsorption molator）或是马赫·任德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光讯号加以调变。外接的调变元件可以大幅减少雷射的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得雷射的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。
光导纤维
光纤缆线包含一个核心（core），纤壳（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃（silica glass）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压克力（acrylate）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太*护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。
光放大器
过去光纤通讯的距离*主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术，同时每隔20公里就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。
光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂（doping）稀土族元素（rare-earth）如铒（erbium），再以短波长雷射激发（pumping）之。如此便能放大光讯号，取代中继器。
接收器
构成光接收器的主要元件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管（photo diode），例如p-n接面二极管、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconctor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波长分波多工器中。
光接收器电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数位讯号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路（clock recovery, CDR）以及锁相回路（phase-lock loop, PLL）将讯号做适度处理再输出。
波长分波多工
波长分波多工的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道（channel），俾使能在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波长分波多工系统分为发射端的波长分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波长分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波长分波多工系统的元件是阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratings, AWG）。而目前市面上已经有商用的波长分波多工器/解多工器，最多可将光纤通讯系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。
带宽距离乘积
由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指标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）。举例而言，一个常见的多模光纤（multi-mode fiber）系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km，代表这个系统在一公里内的讯号带宽可以到500MHz，而如果距离缩短至0.5公里时，带宽则可以倍增到1000MHz。 -亚都光纤通信科技
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时间：2022-06-28 06:57
