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光纤通信系统简介及其关键技术

发布时间：2023-11-24 09:55:23 阅读数： 289

光纤通信系统简介及其关键技术

概述：本文详细介绍了光纤通信系统的组成，包括不同的传输格式、发射器、传输纤维、接收器以及双向传输、多路复用技术、光纤限制等方面的技术。同时，特别讨论了光纤链路在时序分配和同步中的应用。

传输格式

大多数情况下，数据传输是数字化的，这使得系统非常灵活并且相对不敏感，例如对非线性失真。有多种不同的调制格式，即编码信息的不同方法。例如，简单的不归零（NRZ）格式通过发送高或低的光功率值来传输连续比特，比特之间没有间隔，并且需要额外的同步手段。与之相对，归零（RZ）格式通过在每个比特后返回到休息状态来轻松实现自我同步，但它需要更高的光传输带宽以获得相同的数据速率。除了设备的细节和所需的光带宽（与调制效率有关）外，不同的传输格式还在对噪声影响和串扰的敏感度等方面有所不同。

发射器

发射器将电子输入信号转换为调制的光束。信息可以通过光功率（强度）、光相位或偏振编码；强度调制最常见。光波长通常在所谓的电信窗口内。典型的发射器基于单模激光二极管（通常是VCSEL或DFB激光器），可以通过其驱动电流直接调制（DML=直接调制激光器），或使用外部光调制器（例如电吸收或Mach-Zehnder调制器）。直接调制是更简单的选项，可以在10 Gbit/s或更高的数据速率下工作。然而，激光二极管中不断变化的载流子密度会导致瞬时频率变化，从而产生信号失真，表现为啁啾。特别是对于长距离传输，这会使信号对色散的影响更加敏感。因此，对于高数据速率（例如10或40 Gbit/s）与长传输距离（数公里）的组合，通常更倾向于使用外部调制。激光器可以在连续波模式下工作，信号失真最小化。

传输纤维

传输纤维通常是单模光纤，用于中远距离传输，但短距离也可以使用多模光纤。在后一种情况下，模间色散可以限制传输距离或比特率。远程宽带光纤通道可以在某些点包含光纤放大器（块状放大器），以防止功率水平降至过低的水平。或者，可以使用分布式放大器，通过传输纤维本身实现，通过注入额外的强力泵浦光束（通常来自接收端）产生拉曼增益。此外，可以采用用于色散补偿（抵消光纤色散效应）和信号再生的手段。信号再生意味着不仅恢复了功率水平，还恢复了信号质量（例如脉宽和时序）。这可以通过纯光信号处理来实现，也可以通过电子检测信号，应用一些光信号处理，然后重新发送信号。

接收器

接收器包含某种类型的快速光电探测器，通常是光电二极管，以及适合的高速电子设备来放大微弱信号（例如，使用跨阻放大器）并提取数字（或有时是模拟）数据。对于高数据速率，电路中可能包括电子色散补偿。

双向传输

所谓的全双工链路提供双向的数据连接。这些可能简单地基于分离的光纤，或者使用单根光纤工作。后者可以通过在每端使用光纤分束器连接发射器和接收器来实现，这些设备可能更倾向于工作在不同的波长上。然而，对双向操作的需求引入了各种权衡，在某些情况下（例如，对于非常高的数据速率），采用两个分离纤维的系统可能更为理想。

多路复用

典型的长途单通道系统的传输容量例如2.5, 10 Gbit/s, 40 Gbit/s甚至160 Gbit/s。对于更高的数据速率，可以将多个数据通道复用（组合），通过光纤传输，并在检测时再次分离。最常见的技术是波分复用（WDM）。在这里，不同的中心波长分配给不同的数据通道。即使可以以这种方式组合数百个通道（DWDM=密集波分复用），但通常更倾向于使用粗波分复用，它具有适度数量的通道以保持系统简单。主要挑战是通过非线性来抑制通道串扰，平衡通道功率（例如，使用增益平坦化光纤放大器），并简化系统。