简述光纤通信的工作原理

许杰

【摘要】 本文首先讲述了光纤通信的定义，光纤通信的优点以及光纤的结构和分类；然后讲述了光纤的传输特性和光纤通信的工作原理；最后介绍了光纤通信的发展趋势。

【关键词】 光纤通信 传输损耗 色散 光发射机 光中继器 光接收机

一、光纤通信的概念

光纤通信是指以光波为载波，以光纤或者光缆为传输介质的通信方式。光纤通信的优点：（1）频带宽、通信容量大；（2）传输损耗低、中继距离长；（3）光纤通信串话小，保密性强，使用安全；（4）抗电磁干扰能力强；（5）体积小、重量轻、便于敷设；（6）材料资源丰富。

二、光纤的结构和分类

光纤由纤芯和包层两部分构成。纤芯是传输光信号的部分，包层除对纤芯进行保护之外，还将光信号封闭在纤芯中，不让光信号泄露出去。

光纤的分类：按照纤芯的折射率的分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按照光纤中传输的模式数量，可分为单模光纤和多模光纤。

三、光纤的传输特性

1、损耗

光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会越来越小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗。另外，耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等，这些都是光纤传输损耗的因素。为了实现低损耗传输，光纤有三个低损耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。况且随着波长的增加，光纤的损耗会越来越小。

2、色散

光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。

（1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在光纤中传输时途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。（2）导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量和传输速率。（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。（6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。

四、光纤通信系统的构成框图

光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成，见下图所示。

1、光发射机

光发射机是实现电/光转换的光端机。

发端：首先由电发射机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电/光转换。光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电/光的转换。目前光纤通信中常用的光源有： 半导体激光二极管（LD）和 半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输。

2、光中继器

由于光纤存在损耗和色散，光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真，如果不及时进行修复，很可能无法继续向前传输。有可能信号衰减掉了，有可能严重变形，总之，必须马上进行修复。修复的办法就是：对衰减的信号进行放大，对失真的波形进行修复，把波形重新整形到发送端的状态。

光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。

光-电-光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变成电信号 ，对电信号再放大、再定时、再整形以后，通过这三个过程，得到接近于发射端的光信号的复制，从而起到延长传输距离，提高信号质量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。

3、光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。

收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。光接收机的核心部件是光检测器，光检测器的主要功能是完成光电转换。然后把电信号传给电接收机。

五、光纤通信的发展趋势

（1）纳米技术与光纤通信。将微电子机械系统（MEMS）技术应用光通信领域，开发光学器件，实现全光通信。（2）光交换是实现高速全光网的关键。未来通信网络将是全光网络平台，光纤传送的光信号直接进行交换。不需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输。（3）无源光网络（PON）技术。无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术，其在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光光器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。（4）光孤子通信系统。光纤损耗和色散是影响光纤传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”。 由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，因此利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题。endprint

【摘要】 本文首先讲述了光纤通信的定义，光纤通信的优点以及光纤的结构和分类；然后讲述了光纤的传输特性和光纤通信的工作原理；最后介绍了光纤通信的发展趋势。

【关键词】 光纤通信 传输损耗 色散 光发射机 光中继器 光接收机

一、光纤通信的概念

光纤通信是指以光波为载波，以光纤或者光缆为传输介质的通信方式。光纤通信的优点：（1）频带宽、通信容量大；（2）传输损耗低、中继距离长；（3）光纤通信串话小，保密性强，使用安全；（4）抗电磁干扰能力强；（5）体积小、重量轻、便于敷设；（6）材料资源丰富。

二、光纤的结构和分类

光纤由纤芯和包层两部分构成。纤芯是传输光信号的部分，包层除对纤芯进行保护之外，还将光信号封闭在纤芯中，不让光信号泄露出去。

光纤的分类：按照纤芯的折射率的分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按照光纤中传输的模式数量，可分为单模光纤和多模光纤。

三、光纤的传输特性

1、损耗

光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会越来越小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗。另外，耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等，这些都是光纤传输损耗的因素。为了实现低损耗传输，光纤有三个低损耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。况且随着波长的增加，光纤的损耗会越来越小。

2、色散

光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。

（1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在光纤中传输时途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。（2）导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量和传输速率。（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。（6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。

四、光纤通信系统的构成框图

光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成，见下图所示。

1、光发射机

光发射机是实现电/光转换的光端机。

发端：首先由电发射机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电/光转换。光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电/光的转换。目前光纤通信中常用的光源有： 半导体激光二极管（LD）和 半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输。

2、光中继器

由于光纤存在损耗和色散，光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真，如果不及时进行修复，很可能无法继续向前传输。有可能信号衰减掉了，有可能严重变形，总之，必须马上进行修复。修复的办法就是：对衰减的信号进行放大，对失真的波形进行修复，把波形重新整形到发送端的状态。

光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。

光-电-光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变成电信号 ，对电信号再放大、再定时、再整形以后，通过这三个过程，得到接近于发射端的光信号的复制，从而起到延长传输距离，提高信号质量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。

3、光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。

收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。光接收机的核心部件是光检测器，光检测器的主要功能是完成光电转换。然后把电信号传给电接收机。

五、光纤通信的发展趋势

（1）纳米技术与光纤通信。将微电子机械系统（MEMS）技术应用光通信领域，开发光学器件，实现全光通信。（2）光交换是实现高速全光网的关键。未来通信网络将是全光网络平台，光纤传送的光信号直接进行交换。不需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输。（3）无源光网络（PON）技术。无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术，其在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光光器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。（4）光孤子通信系统。光纤损耗和色散是影响光纤传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”。 由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，因此利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题。endprint

【摘要】 本文首先讲述了光纤通信的定义，光纤通信的优点以及光纤的结构和分类；然后讲述了光纤的传输特性和光纤通信的工作原理；最后介绍了光纤通信的发展趋势。

【关键词】 光纤通信 传输损耗 色散 光发射机 光中继器 光接收机

一、光纤通信的概念

光纤通信是指以光波为载波，以光纤或者光缆为传输介质的通信方式。光纤通信的优点：（1）频带宽、通信容量大；（2）传输损耗低、中继距离长；（3）光纤通信串话小，保密性强，使用安全；（4）抗电磁干扰能力强；（5）体积小、重量轻、便于敷设；（6）材料资源丰富。

二、光纤的结构和分类

光纤由纤芯和包层两部分构成。纤芯是传输光信号的部分，包层除对纤芯进行保护之外，还将光信号封闭在纤芯中，不让光信号泄露出去。

光纤的分类：按照纤芯的折射率的分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按照光纤中传输的模式数量，可分为单模光纤和多模光纤。

三、光纤的传输特性

1、损耗

光在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率会越来越小，这种现象称为光纤的传输损耗。光纤的传输损耗是影响中继距离的重要因素。吸收损耗和散射损耗是光纤本身的主要损耗。另外，耦合损耗是光源与光纤之间的损耗、连接损耗是光纤之间损耗等，这些都是光纤传输损耗的因素。为了实现低损耗传输，光纤有三个低损耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um。况且随着波长的增加，光纤的损耗会越来越小。

2、色散

光脉冲信号经光纤传输，到达输出端会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。

（1）产生原因：光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在光纤中传输时途径不同，速度不同，到达终点所用时间不同，即群时延差引入了色散。（2）导致问题：信号波形畸变，表现为脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。限制带宽，影响通信容量和传输速率。（3）光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散。（4）模式色散：不同模式的光传输途径不同，速度不同所引起的色散。（5）材料色散：由于光纤材料本身的折射指数随波长而变化引起的色散。（6）波导色散：光纤的几何结构不完善引起的色散。

四、光纤通信系统的构成框图

光纤通信系统由光发射端机、光纤、光中继器和光接收端机组成，见下图所示。

1、光发射机

光发射机是实现电/光转换的光端机。

发端：首先由电发射机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电/光转换。光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电/光的转换。目前光纤通信中常用的光源有： 半导体激光二极管（LD）和 半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信号以后送入光纤或者光缆进行传输。

2、光中继器

由于光纤存在损耗和色散，光信号经过一段距离传输后会发生衰减和失真，如果不及时进行修复，很可能无法继续向前传输。有可能信号衰减掉了，有可能严重变形，总之，必须马上进行修复。修复的办法就是：对衰减的信号进行放大，对失真的波形进行修复，把波形重新整形到发送端的状态。

光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。

光-电-光转换形式的中继器：光中继器需要先把光信号变成电信号 ，对电信号再放大、再定时、再整形以后，通过这三个过程，得到接近于发射端的光信号的复制，从而起到延长传输距离，提高信号质量的效果。

光放大器：光放大器能直接放大光信号，无需转换成电信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个光纤通信传输系统更加简单和灵活。光放大器主要有半导体光放大器和光纤放大器两大类。

3、光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。

收端：由光接收机把从光纤传过来的光信号转变为电信号。光接收机的核心部件是光检测器，光检测器的主要功能是完成光电转换。然后把电信号传给电接收机。

五、光纤通信的发展趋势

（1）纳米技术与光纤通信。将微电子机械系统（MEMS）技术应用光通信领域，开发光学器件，实现全光通信。（2）光交换是实现高速全光网的关键。未来通信网络将是全光网络平台，光纤传送的光信号直接进行交换。不需要将数据转换成电信号才能进行交换，然后再转换成光信号进行传输。（3）无源光网络（PON）技术。无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术，其在光分支点不需要节点设备，只需安装一个简单的光光器即可，因此具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、设备安全性高、建网速度快、综合建网成本低等优点。（4）光孤子通信系统。光纤损耗和色散是影响光纤传输容量和距离的主要因素。由于光纤制作工艺的不断提高，光纤损耗已接近理论极限，因此光纤色散已成为实现超大容量、超长距离光纤通信的“瓶颈”。 由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用，因此利用光孤子进行通信，可以很好解决这个问题。endprint