光纤网络的类型及工作原理详解

在数据通信技术中，光纤网络近年来在高档轿车中已经成为被使用较多的一种新型网络。光学网络系统目前的成本已与电路系统不相上下，且今后还有望变得更低，加之它的传输速率高、传输数据量大、信号衰减小、不易受外界干扰、耐腐蚀及灵敏度高等优点，因此光学网络系统是车载网络系统的发展方向，也是汽车线束的发展方向。

1.光学网络的类型

光学网络可分无源光学网络和有源光学网络两类。无源光学网络是由光纤和光电耦合器构成的；有源光学网络除了光纤和光电耦合器以外，还增加了光中继器和光放大器以增强光信号，这种情况在有些光路损耗较大的应用场合是必要的。汽车使用的主要是无源光学网络，它不能放大或产生能量。

光学网络中光纤传输信息的方法有时分复用（TDM）、波分复用（WDM）和频分复用（FDM）三种。传输信息用的光纤有塑料和玻璃纤维两种，塑料光纤较为便宜和便于应用，在汽车中应用较广泛。

2.无源光学星形网络的基本组成及工作原理

汽车无源光学星形网络主要由光源、光发送器（光电二极管LED）、在节点上的光接收器和光纤四部分组成。

（1）光电耦合器的类型、结构及工作原理

光源和光接收机合在一起也称光电耦合器。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的电子元件，它既可以实现元件的输入端和输出端之间的电信号传输，又能将输入端与输出端隔离。其主要用途是在信号传输中起到隔离作用，在光网络中起到信号转换作用。

光电耦合器的种类很多，按其结构不同，可分为光敏电阻型、达林顿型、光电二极管型及光电三极管型等；按其输出特性不同，可分为开关输出型、线性输出型、高速输出型及组合封装型等。最常用是光电二极管型及光电三极管型，光电耦合器在电路图中的图形符号如图2－32所示。

图2－32　光电耦合器在电路图中的图形符号

光电耦合器内部的主要结构是由一只发光二极管（光源）和一只光敏器件（光接收器）组成，其工作原理如图2－33所示（以常见的光电三极管型为例）。在输入端上加上电压U时，电流I1流过发光二极管，发光二极管发光。光电三极管在接收到光后饱和，产生光电流I2，从而实现了电信号的传输。在高档轿车的光学网络中，发光二极管与光电三极管不在同一模块里，中间的光传播媒介是光纤，如图2－34所示。

图2－33　光电耦合器的工作原理

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图2－34　光纤网络传输原理

（2）光源

目前，在汽车光学网络系统中普遍采用的光源为发光二极管及小功率半导体激光器。发光二极管有两种：面发射型发光二极管和边发射型发光二极管。

由于面发射型二极管的发射角度很大，很难把它射出的光汇聚到接收光纤内，所以不适用于对相关性有较高要求的光学网络系统，它经常被用作指示灯和指示设备。相对而言，边发射型二极管的发射角狭窄，发射区域较小，这就意味着它射出的光可以更多地被汇聚在光纤中，它的发射速度也更快。但它的缺点是对温度比较敏感，因此必须被安装在环境可控的设备中，从而保证发射信号的稳定性。半导体激光器可以替代发光二极管，因为它有很小的发光面，一般直径不超过几微米，这就意味着大量的发射光可以被直接传送到光纤中，如图2－35所示，面发射型发光二极管发射模式最宽，然后是边发射型发光二极管，半导体激光器的发射模式最窄。

图2－35　光源发射图

（3）光接收器

在光网络中，接收设备的任务是获得传输光信号，然后把它转化为可以被终端设备处理的电信号和用来重建原始传输解调信号。光接收器一般采用的是半导体型，如图2－36所示。典型的光敏半导体是以硅为基底并由3 个功能层组成的，即负区、正区和结区。光接收器是反向偏压的，这是因为外加电阻阻止了负电荷（电子）和正电荷（空穴）向中心结区迁移，也阻止了电流从半导体中的一个有源层流向另一个有源层，如图2－36（a）所示。当特定波长的光照射到对光敏感的结区上时，如图2－36（b）所示，情况就会发生改变，此时将在结区产生电子空穴对，从而产生了与光照射到结区的光强成正比的电流。

图2－36　半导体接收器原理示意图

光接收器的种类很多，但在现代汽车光学网络中通常使用的光接收器主要有两种：普通光电二极管型和雪崩光电二极管型。

如图2－37所示，普通光电二极管包含一个PN 过渡层，它能被光线射透，隔离层位于被强烈掺质的P 层下并几乎融入N 层中。在P 层上有一个接触环（阳极），N 层安置在金属底板上（阴极）。光线或红外线渗入PN 结过渡层中，通过它的能量形成空闲电子和小孔，它们通过PN 过渡层形成电流，照射到光电二极管的光线越多，经过光电二极管的电流越强。光电二极管将在反方向有序地依靠电阻进行切换。由于高光线照射流经光电二极管的电流升高，电阻的压降增大，这样光线信号转化为电压信号。结区的反向偏压阻止了电流通过器件，只有当特定波长的光照射到介质上时，才产生电子空穴对，才允许与入射光强成正比的电流通过PN 结过渡层的截面。从光电探测角度讲，普通光电二极管并不是最敏感的，但对大多数光系统的要求来讲已经足够了。对于那些高性能系统，当它们灵敏度不够时，可以通过加上一个预放大器来提高灵敏度。雪崩光电二极管的工作原理类似于光信号放大器，它是利用强电场来进行雪崩放大。在雪崩光电二极管中，强电场使电流加速，从而使半导体中的原子被激活，产生了如同雪崩效果的电流，放大后的光的强度可能为原来信号的30～100 倍。但同时也带来了一些不利的影响，因为这种雪崩效应并非是完全线性的，而且还会产生噪声。雪崩光电二极管对温度较为敏感，因此需要一个很高的电压（30～300 V）来使其工作，电压的大小与元器件的功率有关。

图2－37　光电二极管的结构和工作原理