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4.2.2 光纖通信系統的基本組成

光纖通信系統可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。用戶要傳輸的信息多種多樣，一般有語音、圖像、數據或多媒體信息。

1.發射和接收

信息源把用戶信息轉換為原始電信號，這種信號稱為基帶信號。

為提高傳輸質量，通常把這種基帶信號轉換為頻率調制（FM）、脈沖頻率調制（PFM）或脈沖寬度調制（PWM）信號，再把這種已調信號輸入光發射機。

還可以采用頻分復用（FDM）技術，將來自不同信息源的基帶信號分別調制成指定的不同頻率的射頻（RF）電波，然后把多個這種帶有信息的RF信號組合成多路寬帶信號，最后輸入光發射機，由光載波進行傳輸。在這個過程中，受調制的RF電波稱為副載波，這種采用頻分復用的多路電波傳輸技術，稱為副載波復用（SCM）。

輸入到光發射機帶有信息的電信號，都通過調制轉換為光信號。光載波經過光纖線路傳輸到接收端，再由光接收機把光信號轉換為電信號。

電接收機的功能和電發射機的功能相反，它把接收的電信號轉換為基帶信號，最后由信息宿恢復用戶信息。

在整個通信系統中，在光發射機之前和光接收機之后的電信號段，光纖通信所用的技術和設備與電纜通信相同，不同的只是由光發射機、光纖線路和光接收機所組成的基本光纖傳輸系統代替了電纜傳輸系統。

2.基本光纖傳輸系統

基本光纖傳輸系統作為獨立的“光信道”單元，若配置適當的接口設備，則可以插入現有的數字通信系統或模擬通信系統；有線通信系統或無線通信系統的發射與接收之間光發射機、光纖線路和光接收機，若配置適當的光器件，可以組成傳輸能力更強、功能更完善的光纖通信系統。例如，在光纖線路中插入光纖放大器組成光中繼長途系統，配置波分復用器和解復用器，組成大容量波分復用系統，使用耦合器或光開關組成無源光網絡，等等。

基本光纖傳輸系統一般由以下3個部分組成。

（1）光發射機

光發射機的功能是把輸入電信號轉換為光信號，并用稱合技術把光信號最大限度地注入光纖線路。

光發射機由光源、驅動器和調制器組成，光源是光發射機的核心。

光發射機的。性能基本上取決于光源的特性，對光源的要求是輸出光功率足夠大，調制頻率足夠高，譜線寬度和光束發散角盡可能小，輸出功率和波長穩定，器件壽命長。目前廣泛使用的光源有半導體發光二極管（LED）和半導體激光二極管（或稱激光器）（LD），以及譜線寬度很小的動態單縱模分布反饋（DFB）激光器。有些場合也使用固體激光器，例如大功率的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器。光發射機把電信號轉換為光信號的過程（電/光轉換），是通過電信號對光的調制而實現的。目前有直接調制和間^接調制（或稱外調制）兩種調制方案。

直接調制是用電信號直接調制半導體激光器或發光二極管的驅動電流，使輸出光隨電信號變化而實現的。這種方案技術簡單，成本較低，容易實現，但調制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調制是把激光的產生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的輸出光而實現的。目前有多種調制器可供選擇，最常用的是電光調制器。這種調制器是利用電信號改變電光晶體的折射率，使通過調制器的光參數隨電信號變化而實現調制的。外調制的優點是調制速率高，缺點是技術復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統中使用。對光參數的調制，原理上可以是光強（功率）、幅度、頻率或相位調制，但實際上目前大多數光纖通信系統都采用直接光強調制。因為幅度、頻率或相位調制需要幅度和頻率非常穩定、相位和偏振方向可以控制、譜線寬度很窄的單模激光源，并采用外調制方案，所以這些調制方式只在新技術系統中使用。

（2）光纖線路

光纖線路的功能是把來自光發射機的光信號，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳輸到光接收機。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。光纖是光纖線路的主體，接頭和連接器是不可缺少的器件。實際工程中使用的是容納許多根光纖的光纜。

光纖線路的性能主要由纜內光纖的傳輸特性決定。對光纖的基本要求是損耗和色散這兩個傳輸特性參數都盡可能地小，而且有足夠好的機械特性和環境特性，例如，在不可避免的應力作用下和環境溫度改變時，保持傳輸特性穩定。

目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖，單模光纖的傳輸特性比多模光纖好，價格比多模光纖便宜，因而得到更廣泛的應用。單模光纖配合半導體激光器，適合大容量長距離光纖傳輸系統，而小容量短距離系統用多模光纖配合半導體發光二極管更加合適。為適應不同通信系統的需要，已經設計了多種結構不同、特性優良的單模光纖，并成功地投入實際應用。石英光纖在近紅外波段，除雜質吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85pm、和1.55pm有3個損耗很小的波長“窗口”。在這3個波長窗口損耗分別小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km.石英光纖在波長1.31pm色散為零，帶寬極大值高達幾十吉赫千米（GHz?km）。通過光纖設計，可以使零色散波長移到1.55pm,實現損耗和色散都最小的色散移位單模光纖；或者設計在1.31-1111和1.55jluii之間色散變化不大的色散平坦單模光纖等。根據光纖傳輸特性的特點，光纖通信系統的工作波長都選擇在0.85jLim、1.31pm或特別是1.31pm和1.55pm應用更加廣泛。

因此，作為光源的激光器的發射波長和作為光檢測器的光電二極管的響應波長，都要和光纖這3個波長窗口相一致。目前在實驗室條件下，1.55pm的損耗已達到0.154dB/km,接近石英光纖損耗的理論極限，因此人們開始研究新的光纖材料。

光纖是光纖通信的基礎，光纖的技術進步，有力地推動著光纖通信向前發展。

（3）光接收機

光接收機的功能是把從光纖線路輸出、產生畸變和衰減的微弱光信號轉換為電信號，并經放大和處理后恢復成發射前的電信號。光接收機由光檢測器、放大器和相關電路組成，光檢測器是光接收機的核心。對光檢測器的要求是響應度高、噪聲低和響應速度快。

目前廣泛使用的光檢測器有兩種類型：在半導體PN結中加入本征層的PIN光電二極管（PIN-PD）和雪崩光電二極管（APD）。光接收機把光信號轉換為電信號的過程（光/電轉換），是通過光檢測器的檢測實現的。檢測方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是用檢測器直接把光信號轉換為電信號。這種檢測方式設備簡單、經濟實用，是當前光纖通信系統普遍釆用的方式。

外差檢測要設置一個本地振蕩器和一個光混頻器，使本地振蕩光和光纖輸出的信號光在混頻器中產生差拍而輸出中頻光信號，再由光檢測器把中頻光信號轉換為電信號。外差檢測方式的難點是需要頻率非常穩定、相位和偏振方向可控制、譜線寬度很窄的單模激光源；優點是有很高的接收靈敏度。

目前，實用光纖通信系統普遍采用直接調制一直接檢測方式。外調制一外差檢測方式雖然技術復雜，但是傳輸速率和接收靈敏度很高，是很有發展前途的通信方式。

光接收機最重要的特性參數是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機質量的綜合指標，它反映接收機調整到最佳狀態時，接收微弱光信號的能力。靈敏度主要取決于組成光接收機的光電二極管和放大器的噪聲，并受傳輸速率、光發射機的參數和光纖線路的色散影響，還與系統要求的誤碼率或信噪比有密切關系。所以靈敏度也是反映光纖通信系統質量的重要指標。

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