光纤通信系统基本原理及组成

本书8.5节和8.6节已经阐述过光纤通信系统的基本原理及其他一些内容。在此将这些原理作为讨论6种先进课题的前序加以详细阐述，这些课题都是该领域中当今研究的前沿项目。

这样做出于下面几个原因：第一，符合本书宗旨，它们代表了光子学在实际应用中的优秀例子；第二，在该领域前沿课题研究方面提供了一种风格，极有希望激发读者继续开展这方面研究的欲望；第三，光通信是目前光子学非常重要的一种应用（可能是最重要的），所以本书最后将重点介绍该内容。

按照本书的编写风格，不再以详细的解析形式讨论这些课题，主要介绍实际原理和机理。

图10.30给出了普通光纤通信系统的基本组成。光源发出的光受到信息信号的调制，入射到光纤中以实现波导传输。传输中，光束会有衰减和色散，前者降低信号振幅，而后者使光束发生畸变并使像质恶化。由于探测器中总会存在噪声，所以超出一定范围的振幅下降是不能接受的。并且，除非信号比噪声电平更大，否则信号将不能被正确识别。畸变代表信息损失，超出一定范围，信号也再次无法识别，所以也是不可接受的。对于长距离通信，需要使用放大转发器（为了向前传播，该信号要经过探测、放大、再成形和再发射）。

图10.30　光纤通信的基本子系统

绝大部分光纤通信系统是数字系统，将信息被编码成一系列代表“yes”或“no”的脉冲（作为对以下问题的回答）：“在这个特定的时间段吗？”（见本章10.5节）。在这种（广为盛行的）情况中，对振幅的要求是：脉冲应恰好高于噪声电平，只要高于某一确定的电平（阈值），对上述问题的回答明显就是正确的（在10⁹个脉冲中约有一个或零个脉冲会错误地被光电探测器读出）。但低于该阈值，“误码率”（BER）会快速上升。这就是数码系统表示高于阈值的系统所具有的鲁棒性。(www.xing528.com)

数码系统的色散条件也相当直接明了。色散会使脉冲加宽，因此噪声使两个连续脉冲之间无法形成明显界限（见图10.31），对“有或没有”的问题不能作出肯定回答，并且误码率会出人意料地增大。

图10.31　光纤色散增大对脉冲分辨率（或可识别性）的影响

由本书8.5节和8.6节知道，衰减和色散都随光纤的传播距离线性增大。衰减的确如此，这是原子和分子吸收和散射的结果，所以正比于遇到的分子和原子总数（在一定横截面和均匀成分的光纤中，正比于总的距离）；色散之所以这样，是由于不同的波长成分会以不同速度传播的结果，并且，分量间的位移随距离线性增大。

光通信方面中较为先进的研究课题，在很大程度上就是为了克服衰减和色散的影响，以便以极高的速度在非常非常远的距离上传输极多的信息。高速下传播大量信息意味着要具有大的带宽，远距离预示着在输出端要有良好的信号强度。在本书8.6.2节已经看到，这两个要求完全相反。当一个要求增大时，另一个要求在减小。例如，使用窄带光源可以实现低色散，但是很难将光能量集中在一个窄光谱的光源宽度内，还可以给出其他例子。因此，通常用信号带宽和没有恶化性能条件下的信号传输距离的乘积表示给定光纤通信系统的性能，即带宽距离乘积，并且通常（对于主干系统）用单位（Gb/s）·km（每秒千兆×千米）表示。目前最好系统的乘积值为1000（Gb/s）·km。例如，在100km范围内可以应用到10Gb/s的带宽，或者在1000km范围内具有1Gb/s的带宽。在限定范围内，如果需要传输更远的距离，必须利用“信号中继放大器”将信号以某种方式放大和再生。

目前的研究目标是利用各种措施增大带宽距离乘积，包括高效率同轴放大。下面将逐一进行讨论。