光纤通信系统中的光源和传输能力

这是以光导纤维（光纤）作为信道介质，以光波为载波的一种通信方式。以电磁波作为传送信息的载波，其所能够传送的信息量与电磁波频率成正比，光波频率比微波高大约10万倍，因此在原则上光波可以传送比微波多10万倍的信息。所以，从事通信研究的科学家和工程师很早就设想利用光波作通信载波，探讨光波通信技术，不过，这个愿望在激光器发明后才真正获得实现。

（一）主要特点

其与电缆或微波通信相比较，光纤通信显示的特长主要有：

1）信息容量大

光波的频率比微波、毫米波高3～5个数量级，通信容许频带很宽，传输信息容量很大。一根小同轴电缆传输信息容量是960路电话，中同轴电缆通信传输容量是1 800路电话，一根光纤的通信容量是万路电话。光纤通信传输信息的能力很大，在相同传输距离需要设立的中继站数量可以减少，中等同轴电缆通信每隔6 km需要设一个中继站，而光纤通信则可以隔50～100 km设一个，减少了建设费用和运行费用。

2）抗电磁干扰性能好

无线电通信容易受外来电磁干扰，通信用的电缆一般不能和高压电线平行架设，也不宜在电气铁路附近铺设。光波不受电磁干扰，光纤又是由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击干扰，因此光纤通信抗电磁干扰性能很好，存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中也能够维持正常通信。

3）信息泄漏小，保密性能好

在光纤中传输的光信号泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。

4）通信线路重量轻、体积小

光纤重量很轻，直径很小，即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量也比电缆轻得多，体积也小得多。

（二）通信系统基本组成

图4-31是其组成方框图，它主要由光发射机、光纤信道和光接收机3大部分组成。由于光纤具有许多电缆所无法比拟的优点，因此人们使用光导纤维作为传递信息的通道。在接收端，光接收机通过光电探测器（PIN／APD）直接检测，将在光纤中传递来的光信号转换成电信号（O／E过程）。此电信号经放大及解码等处理后，还原出与发射端相近的电信号，并送入终端机进行处理。目前，多数实用化的光纤通信系统都是采用强度调制直接检测（IM／DD）系统。

图4-31　光纤通信系统结构框图

1．光发射机

来自信息源的电信号经整形及编码等处理后，直接对光发射机内的光源输出光束进行强度调制，完成电／光转换（E／O）过程，并经微透镜或直接耦合将信号光强或光信号数码流耦合到光纤中传输。光源是光纤通信系统中不可缺少的部分，其性能的好坏会直接影响光纤通信系统的特性。光纤通信系统中主要使用的光源主要是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。就结构而言，LED和LD都是由半导体材料（主要是Ⅲ-Ⅴ族）制成的PN结。采用异质结构（多数为双异质结构），在短距离、小容量光纤通信系统中一般是用LED。与LD相比，LED具有结构简单、寿命长、制作成本低、价格便宜、驱动电路不复杂等优点，其输出光功率与注入电流大致呈线性正比关系。一般来说输出光功率随温度升高而减小，以短波长GaAlAs LED为例，输出光功率随温度的变化率约为－0．01／K。LED输出的是非相干光，输出光束的发散角也大，表面发光型LED的发散角约为120°，侧面发光型LED的发散角约为30°。发散角大会直接降低LED和光纤的耦合效率，影响尾纤的出纤光功率。另外，辐射复合是在含有很多能级的价带与导带之间进行的，因此光辐射谱线宽度也较宽，约为几十纳米。在调制特性方面，即使是较高偏置电流情况下，其调制带宽也是由载流子自发复合寿命所决定，一般为200～300 MHz。在25℃工作条件下，GaAs材料的LED平均失效时间（MTTF）可大于107小时，而InGaAsP材料的LED接近109小时。

LD输出相干光，它的单色性好，光谱线宽度比LED窄得多，单频半导体激光器的谱线宽度约为1 nm数量级；发光效率高；光束发散角小，通常水平发散角约为10°，垂直发散角为40°～60°；与尾光纤的耦合效率比LED高很多；其调制带宽宽，限于电子线路的响应极限，其调制频率也可达10 GHz；使用寿命长，平均失效时间约为百万小时。半导体激光器是大容量、高传输速率和长距离光纤通信系统中最接近理想的光源。半导体激光器温度变化也会使其输出的激光波长产生漂移，变化率大约为每度0．2 nm（对于GaAs激光器），0．4～0．5 nm（对于InGaAsP激光器）。

2．光纤信道

光纤的主要材料是二氧化硅（SiO2），即由折射率略有差别的纤芯和包层所构成的一种圆柱形丝状结构，它在光纤通信系统中起到传输媒介的作用。当光信号满足一定的入射条件时，能被约束在光纤内，并沿着光纤轴线方向传输。光纤本身是用玻璃材料制成，表面出现损伤时容易折断；同时，光纤很细，直径一般在100～200μm，为此做通信线路的不是单根光纤，而是许多根光纤集合在一起，外加保护套制成的光缆，图4-32为它的结构示意图。

图4-32　光缆结构

按照光纤材料的折射率分布，光纤可分为均匀光纤与非均匀光纤两大类。均匀光纤的纤芯和包层的折射率都呈均匀分布，只是在纤芯与包层交界处发生量值为（n1－n2）的折射率跃变，这里n1是纤芯折射率；n2是包层折射率，并且n1＞n2，故也称为阶跃光纤（SI光纤）；非均匀光纤的纤芯折射率呈非均匀变化，n1（r）远离轴心沿半径r方向按一定函数规律递减，在纤芯与包层交界处与包层折射率一致，而包层的折射率呈均匀分布。这种光纤有时也称梯度折射率光纤（GI光纤）。

依据光纤传输的电磁波理论，按照光信号在光纤中的传输性质，光纤又可分为单模光纤与多模光纤两类。单模光纤是只传输一种模式的光纤，即在光纤的横向截面上只存在一种电磁场分布模式；多模光纤传输模式则不止一个，即允许多个电磁场分布模式同时存在。为了满足单模条件，一般单模光纤的芯径都很小，为2～12μm，包层直径大约为125μm；而多模光纤芯径则较大，典型值大约为60μm，包层直径大约为125μm。简言之，单模光纤的传输性能较佳，传输容量大，但不易耦合，制造与连接较困难，所传输的光能量也低；多模光纤的传输性能较差，传输容量小，但耦合、制造与连接较易，所传输的光能量也较大。(www.zuozong.com)

高纯度石英系光纤（二氧化硅）通过纤芯掺杂（常用掺杂料为二氧化锗GeO2）提高纤芯的折射率，其特点是传输损耗小，约为0．2 dB／km，光纤通信系统多用这类。

3．光接收机

光纤通信系统通过光接收机完成来自光纤线路的光信号转换成电信号的任务，其性能的好坏同样会直接影响光纤通信系统的性能。接收机中的主要元件是光电检测器，对其基本要求是：对工作波长的光信号有足够高的灵敏度、量子效率高（即生成的光电子数与入射光子数之比高）、响应速度快、噪声低、能在室温下使用等。目前光纤通信系统中常用的半导体光电检测器有两种：光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。就基本结构而言，两者都是由半导体材料（主要是Ⅲ-Ⅴ族）制成的PN结，但为了提高量子效率，往往采用PIN结构，即在PN结中间夹入一个较厚的Ⅰ层，它实际上是一个接近本征半导体（掺杂很低）的N区，使进入的光信号光子能够被充分吸收。

对于模拟光纤传输系统光接收机的主要性能指标是信噪比、灵敏度及动态范围。光接收机灵敏度是指在给定信噪比条件下所需的最小接收光功率，其值越小，说明接收弱信号的能力越强，常用分贝毫瓦（dBm）作单位。当给定工作带宽及信噪比时，就可求出所需的光接收灵敏度。如果入射光功率过大，就会使接收机出现饱和或过载，导致输出信号失真，故存在一个最大可允许入射光功率，光接收机动态范围是指两者之差。

对于数字光纤传输系统来说，使用误码率BER（bit error rate）作为衡量数字光接收机性能的主要指标，其定义为接收机判决电路对1 bit数字信号误判的概率。一般的数字光纤传输系统均要求BER≤10－9，即对109bit的数据进行判决时，只允许有一个比特数据出现误判决。光接收机的误码主要由接收机热噪声和雪崩光电二极管的倍增噪声所造成，要精确计算出误码率比较困难。

在数字光纤传输系统中，光接收机的灵敏度是指在一定误码率条件下所需的最小接收光功率。实际测量时采用伪随机码作输入码流，其他物理意义可与模拟系统相比较。

（三）光纤通信系统类型

根据传递的信息处理方式，光纤通信有多种系统，主要有相干光纤通信系统、孤子光纤通信系统和量子光纤通信系统，它们的通信性能各异。

1．相干光纤通信系统

这是采用窄线宽的相干光源的光纤通信。与强度调制-直接检测（IM-DD）系统相比，主要差别在于光接收机中增加了外差接收所需要的本征振荡光源（本振光源）和光混频器。由于混频输出信号电流的大小与（PS·PL）1／2成正比（PL是本振光功率，PS是信号光功率），所以混频后输出信号产生了增益，称为混频增益，因而使接收灵敏度有了很大的提高。

相干光通信的主要特点如下：

（1）好的信道选择性。由于外差接收，带宽受限于中频电滤波器，而电滤波器带宽可以做得比光滤波器带宽窄而陡，所以具有很好的信道选择性。目前单模光纤大约有200 nm的低光学损耗区可用，相当于可用带宽30 000 GHz。即使采用波分复用也只能安排几个光载波，采用高密度波分复用也只有几十个光载波，间隔几纳米；而采用选择性极好的相干光通信系统，无需光滤波器就可以使光载波间隔缩小至0．1 nm左右，可以容纳起码几百个光载波。

（2）接收灵敏度高。由于相干光通信有较大的混频增益，可选择有效的调制方式，因而使接收灵敏度比直接检测方式改善了10～20 dB，使用光波长1 550 nm时，等效于再生段距离延长50～100 km。

但相干光纤通信系统也存在着复杂、成本高、对本振光源要求严格等缺点。

2．孤子光纤通信系统

这是一种非线性全光通信，它靠不随传播距离而改变形状的相干光脉冲（即光孤子）来进行通信，是实现超大容量、超长距离通信的重要技术之一。尽管光纤通信系统与无线电通信系统存在着许多相似之处，但基于光纤孤子效应的光孤子通信系统却在无线电领域找不到相对应的系统。光纤存在着群速色散（GVD）和非线性［主要是自相位调制（SPM）］两大现象，当两者单独起作用时，均会使光纤内传输的光脉冲产生畸变，降低光纤通信系统性能。其中GVD会使光脉冲展宽，而SPM则通过较高频分量累积使波形变陡。光学材料的折射率与光强成正比，由此可以产生SPM效应。理论分析表明，在反常色散区（大于零色散波长区域），当GVD和SPM两者共同相互作用时，SPM可以抵消掉GVD的影响达到平衡，形成所谓光孤子，即光脉冲近似地沿光纤轴向无展宽、不变形地传输超长距离。

光孤子通信系统由光孤子源、外调制器、光放大器、光孤子传输光纤及光检测器组成。光孤子在传输过程中能保持其形状不变，但光纤损耗将导致光孤子能量减少，从而使光孤子展宽，为此，必须对光孤子传输进行能量补偿。补偿光孤子能量的方法主要有两种：一种是分布式的光放大器方法，主要有拉曼光纤放大器（RFA）和分布式掺铒光纤放大器；另一种是集总光放大器方法，即采用集总式掺铒光纤放大器（EDFA）。尽管光孤子在光纤中传输时，其光脉冲形状不会变化，但最大的传输距离却受到相干相互作用和放大器噪声的限制，即戈登-豪斯（Gordon-Haus）极限。戈登-豪斯抖动主要起因于孤子和孤子间的相互作用，且与传输距离的立方有关，是限制传输距离的主要原因。为此，必须对光孤子进行时域或频域的控制。时域内对光孤子进行控制采用同步调制，使得由于受到放大的自发辐射噪声破坏的孤子脉冲位置重新定时，同时还清除了邻近光孤子间的相互作用，在理论上这种技术可实现无限距离的光孤子数据传输。对光孤子进行频域控制是在环路中安装具有0．3～0．4 nm带宽的带通滤光片，以使光孤子能量稳定。

3．量子光纤通信系统

这是利用量子态编码信息进行信息处理和传输的通信技术。量子编码的过程是：首先对来自信源的消息编码，即用2的k次方维空间中的不同矢量表示信息；然后把这些编码信息的量子态传送给接收者，接收者通过适当的解码操作，恢复信源信息。量子信息处理是对编码的量子态进行一系列幺正演化，对量子态最基本的幺正操作称为逻辑门。逻辑门的操作可以按作用的量子位的数目划分为一位门、两位门、三位门等，可以用对量子位的Hilbert空间基矢的作用定义，一个重要的一位门是Hardmand门。和经典通信理论一样，信息的有效传输也是量子通信理论的一个基本问题。有别于经典情况的是，量子通道除可以传输经典信息以外还能传送量子信息，比如把未知量子态从发送者传送给接收者。

量子光纤通信系统有非常好的保密性能，相比于经典通信，量子通信具有绝对安全性。根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现。实施的办法之一是量子密钥分配，在最简单的情况下，密钥可取为二进制随机位串，如果通信双方，例如Alice（发送者）和Bob（接收者）拥有他们自己才知道的私人密钥，他们就可以秘密通信。

实现光纤量子密钥通信另外一项关键技术是光强衰减和单光子探测。光强衰减的作用是将光强衰减至单光子水平，以便实现单光子编码与传输，可采用光耦合器逐级衰减＋末级精密衰减方案。高效低噪单光子探测器是人们追求的目标，采用砷化镓光电二极管，量子效率为32%，暗电流计数率约为10－3，水冷系统将温度维持在零下35℃，可实现1 552 nm波长、半宽为23 ps、重复率为200 k Hz的单光子探测。