光纤通信原理及应用

光纤通信原理及应用

摘要：光纤通信技术是利用半导体激光器等光电转换器将电信号转换成光信号，并使其在光纤中快速、安全地传输的一门新兴技术。光纤是一种理想的传输媒体，它具有传输时延低、高通信质量、高带宽、抗干扰能力强等特点。光纤在高速以太网中有着广泛的应用。论文主要分析了光电信号的转换、光纤通信的基本原理并介绍了光纤在通信领域中的一些应用。

关键词：光纤通信；光电转换；全反射

1. 引言

光纤是用光透射率高的电介质构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导，它是用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是在发送端利用半导体激光转换器将电信号转换成光信号并利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，光波通过纤芯以全反射的方式进行传导，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。同时，接收端利用光电二极管或半导体激光器做成光检测器，检测到光脉冲时将光信号还原成电信号。在由于可见光的频率非

10MHz的量级，因此一能做到使用一根光个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它常高，约为8

的传输媒体的带宽。同时利用光的频分复用技术，就纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤的传输能力成倍地提高。

2.理论模型

在光纤通信系统的发送端使用光电信号检测电路将电信号转换成光信号，并使得光信号以大于某一角度入射到光通道，此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输，并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理。

2.1 光电信号检测电路的基本原理

光电检测电路主要由光电器件、输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，它把被测光信号转换成相应的电信号；输入电路为光电器件正常的工作条件，进行电参量的变换并完成前置放大器的电路匹配；前置放大器能够放大光电器件输出的微弱电信号，并匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。

2.1.1 光电信号输入电路的静态计算

图解计算法是利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。反射偏置电压作用下的光电二极管的基本输入电路如下：

（图1）

设b U 是反向偏置电压，L R 是负载电阻，与输入光通量φ成正比的电压信号U 从L R 的两端输出。b U 、L R 和光电二级管串联连接。

其回路方程为：

()b L U I U IR =- (1)

式中，()U I 是非线性函数。该式可用图解法进行计算，在伏安特性曲线上画出负载线b L U IR -,是一条斜率为1/L R -，通过b U U =点的直线，与纵轴交于/b L U R 点上。因为串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于输入光通量为0φ时的器件伏安特性曲线的交点Q ，即为输入电路的静态工作点。当输入光通量由0φ改变φ±∆时，在负载电阻L R 上会产生U ±∆的电压信号输出和I ±∆的电流信号输出。

2.2.2 光电检测电路的动态计算

光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号，它包含着丰富的频率分量，因此需要解决的动态计算问题有：

1. 确定检测电路的动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的

电信号输出。

2. 使检测电路具有足够宽的频率响应，以能够对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频

率失真的变换和传输。

（图2动态计算图解）

假定输入光照度为正弦变化，即：

0sin m e E E wt =+ (2)

光照度的变化范围为0m E E +。在信号通频带范围内，耦合电容c C 可认为是短路，则等效交流负载电阻是b R 和L R 的并联。对应的交流负载线MH 应该通过特性曲线的转折点M 。交流负载线与光照度0E E =对应的伏安特性相交于Q 点。

负载电阻上的输出电压峰值m U 可利用图中阴影线三角形MHQ 的数值关系计算。其中：

m m L b I U G G =

+ (3) 在图中线段MH 上有电流关系：

m E m m I S E GU =- (4)

负载电阻L R 上的输出功率L P 为：

2[]2E m L L b L S E G P G G G

=

++ (5)

最大功率输出条件的直流偏置电阻0b R 和电源电压b U 可用解析法计算如下：

静态工作点的电流值：

()Q b Q b I U U G =- (6)

解得：

0b b E Q b

G U S E U G G -=+ (7) 其中，在电压轴上工作点Q 处的电压Q U 为：

02()E m Q m M M b S E U U U U G G =+=

++ (8) 故可计算出直流偏置电阻0b R 为：

002()(2)2b M b E m m

U U R S E E GU -=

++ (9)

2.2 光纤通信原理

光纤通信是通信技术与光电技术的结合，它涉及了光在光纤波导中传输的方式及信号传输时遵守的协议。

2.2.1 光纤波导原理

光纤是由两层光学性质不同的材料组成，当光线以临界角由光密介质入射到光疏介质时，会发生全反射现象，而光纤通信就是利用光信号在光纤中以全反射的方式不断向前传输的。光是一种电磁波，它满足麦克斯韦方程组的解，其中每一特解能代表一种独立的电磁波分布，即一种模式。由麦克斯韦方程导出的电场波动方程的解如下：

()(,,,)(,)j wt z E z t E e βρφρφ-= (10)

其中，(,)E ρφ为幅度因子，β为电磁波在Z 方向传播的速度，不同的β值就代表不同的模式。

2.2.2 信号传输原理

由于基带信号中包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道不能传输低频或者直流的信号。因此，必须先对信号进行调制。当光线在光纤中传输时，经调制后，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。而在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，如果