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： 21
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。
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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。
主动光缆
对于短距离传输，可以使用所谓的主动光缆（AOC），其中发射器和接收器（以及相应的电子设备）被硬连接到光纤电缆的末端。提供常见的电气接口，如以太网、USB或HDMI端口，因此使用这样的主动光缆本质上与使用电缆相同，同时提供了减小直径和重量以及可能的更大传输距离等优势。
光纤到户
甚至可以使用光链路来在“最后一公里”向单个家庭和办公室提供数据。这项技术被称为光纤到户（FTTH）。然而，在许多情况下，最后一公里仍然是用铜缆桥接的，光纤传输仅发生在靠近用户的一些小站点。
限制条件
任何系统的数据传输能力最终都受到噪声的限制。在放大的光系统中，例如以光纤放大器中的自发发射形式存在的量子噪声（→放大器噪声）是不可避免的。它可以以不同的形式影响系统性能，例如时序抖动（→Gordon-Haus抖动，特别是在溶胶体系中）或影响光检测的强度噪声。
光纤链路的时序分配和同步
虽然大多数光纤链路用于传输数据，但也有类似的系统用于分配超精确的时序信号。即使使用相当简单的技术，锁模激光的超精确脉冲间隔也可以在数十公里的链路长度内非常好地保持。先进的技术还可以大幅消除由于光纤温度变化等原因造成的群延迟变化的影响。例如，已经可以通过这种链路非常精确地同步激光振荡器。