千里连心：光纤通信-千里一线牵：通信

1.一应俱全——光纤通信的组成

现代的光纤通信系统通常包括一个发射器，将电讯号转换成光讯号，再透过光纤将光讯号传递。光纤通常埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光讯号转换回电讯号。在光纤通信系统中传递的通常是数位讯号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

基本元件——发射器

在光纤通信系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管或是镭射二极管。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，并可以将波长最佳化。更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调变，非常适合光纤通信系统的需求。

信号发射器

镭射二极管

发光二极管借助电激发光的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在30～60纳米间。它的成本比较低廉，常用于光纤通信中。一般光纤通信的发光二极管的主要材料是砷化镓或是砷化镓磷，后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合光纤通信。

通常发光二极管用在传输速率10兆字节/秒至100兆字节/秒的局域网路，传输距离也在数千米之内。目前也有发光二极管内包含了数个量子井的结构，使得发光二极管可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱。这种发光二极管被广泛应用在区域性的波长分波多工的网络中。

发光二极管

半导体激光的输出功率通常在100微瓦特左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。半导体激光可由输入的电流核直接调变它的开关状态和输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，激光光源可能会以连续波的形式控制。

二极管控制器

核心材料——光导纤维

光纤缆线

光纤缆线包含一个核心、纤壳以及外层的保护被覆。核心与折射率较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折得太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。(www.xing528.com)

主要部件——光放大器

在以前，光纤通信的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器。然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术。同时，每隔20千米就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。

光纤放大器

光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂稀土族元素如铒，再以短波长激光激发之。如此便能放大光讯号，取代中继器。

“末梢神经”——接收器

构成光接收器的主要元件是光侦测器，利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管，被应用在光再生器或是波长分波多工器中。

信号接收器

光接收器电路通常使用转阻放大器以及限幅放大器处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再通过后端的比较器电路转换成数位讯号。对于高速光纤通信系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重。为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路以及锁相回路将讯号做适度处理再输出。

知识小百科

1.什么是波长分波多工

波长分波多工实际上就是将光纤的工作波长分割成多个通道，使在同一条光纤内能传输更大量的资料。一个完整的波长分波多工系统分为发射端的波长分波多工器以及在接收端的波长分波解多工器，最常用于波长分波多工系统的元件是阵列波导光栅。而目前已经有商用的波长分波多工器/解多工器，最多可将光纤通讯系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破千字节/秒的等级。

2.带宽距离乘积是怎么回事

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹×千米。使用这两个值的乘积作为指标的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍。举例而言，一个常见的多模光纤系统的带宽——距离乘积约是500兆赫兹·千米，代表这个系统在一千米内的讯号带宽可以到500兆赫兹。而如果距离缩短至0.5千米时，带宽则可以倍增到1000兆赫兹。