光通信

摘要：光纤通信是以激光为光源，以光导纤维为传输介质进行的通信。具有传输容量大、抗电磁干扰能力

强等突出优点，是构成未来信息高速公路骨干网的主要通信方式。本文章主要介绍了光纤通信的技术发展特点及其前景，光纤通信的基本性质，光纤通信系统，重点介绍了光纤模拟通信系统，及模拟信号传输过程中的调制技术，进行模拟信号传输实验，在此基础上分析光纤通信传输中需要解决的问题，介绍光纤光缆技术与产业发展中几个值得思考的问题。从光纤通信技术和我国现状而言，我国干线光缆网的科研和应用发展的重点应放在常规的强度调制直接检波技术、光同步数字体系与数字交叉连接技术的发展及推广应用上; 为缩小我国通信技术与国际水平的差距、建成四通八达并具有巨大社会经济效益的现代化通信网而创造良好的条件。

关键词：光纤通信 多模光纤 单模光纤 强度调制（调幅） 宽度调制（PWM、调宽） 频率调制

（PFM调频） 基带模拟光传输系统 脉冲频率调制光传输系统

1 前言

光纤通信（optical fiber communication）是以激光为光源，以光导纤维为传输介质进行的通信。具有传输容量大、抗电磁干扰能力强等突出优点，是构成未来信息高速公路骨干网的主要通信方式。

2 实验原理

一、光纤通信系统的组成

光纤通信系统的组成如框图所示：

（1）光发射机 光发射机是电光转换的光端机。它由两部分组成：驱动电路和光源。它的功能是将电端机来的电信号转化为光信号，然后将光信号耦合到光纤或光缆中传输。

（2）光接收机 光接收机是光电转换的光端机。它也由两部分组成：光检测电路和放大电路。它的功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号。然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送入接收机。

（3）光纤或光缆 光纤或光缆组成光纤传输线。它的功能是将由发射端光源发出的光信号，经光纤传输后耦合到接收端的检测器，完成信号的传输任务。

（4）中继机 中继机也称中继站，含有中继站的光纤传输系统，称光纤中继通信。中继站的作用有两个：一是补偿光的衰减：二是对波形的失真脉冲进行整形。

（5）光纤连接器，耦合器等无源器件 光纤的连接，光纤与光端机的连接和耦合，需要光纤连接器和耦合器。

上面的系统加上适当的接口时，就可作为一个独立的“光线路”插入现有的或新架设的通信系统中。根据传输信号的形式，可以把光纤通信系统分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统。因为光纤的频带很宽，对传输数字信号十分有利，所以高速率、大容量、长距离的光纤通信系统均为数字光纤通信系统；短距离、小容量的光纤通信系统通常采用模拟光纤通信系统。

二、光源

光通信传输的是光信号，因此，作为光纤通信系统中的发光器件—光源，便成为重要的器件之一。它的作用是把要传输的电信号转换为光、信号发射出去。

最常用的发光器件是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。

LED即发光二极管是靠PN结附近的电子和空穴对的复合而进行自发辐射发光。当给发光二极管的PN结加正向电压时，外加电场将消弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此，电子由Ｎ区扩散到Ｐ区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级．电子将多余的能量用发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是LED的发光机理。它发的光是荧光而不是激光。另外，发光二极管不需要太大的注入电流去形成粒子束反转分布，因此它没有域值电流问题。

三、光纤

（一）光纤的结构

光纤的结构如图3—1所示。它是由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其纯度要达到99.99999%。其余成分为参入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。

（二）光纤的分类

1、阶跃型光纤和渐变型光纤 2、多模光纤和单模光纤

根据电磁场理论，光纤中存在着许多不同的传输方式。按照传输模式的多少， 光纤由可分为以下两类： （1）多模光纤

当光纤中传输的模式是多个时，则称为多模光纤。 （2）单模光纤

光纤中只能传输一种模式的光波时，这种光纤称为单模光纤。实现单模光纤传输的光纤，要求其芯径2a很小。

3、光缆

通常，加固件是由多股的钢丝绳来充任。为了保证无电源供给的中继站电的供应，在光缆中通常还有一对塑料包层的铜线。

4、光纤的传光原理

一为波动光学法，一为几何光学法。波动光学法是将光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组（波动方程）解析其传播特性。几何光学法是将光波的波长近似为零的波动理论。在讨论光纤的色散特性时，将采用几何光学法

射线理论认为光在光纤中传播主要是依据全反射原理。入射光线与光纤轴心线之间的夹角0称为光纤端面入射角；一般这种光线需要通过几千、几万、甚至更多次德全反射（全反射次数与光线长度、直径有关），才能从光线的一段穿到另一端。光线1、2的特点是光在光纤中的传播路径始终在同一平面内，这中光线称为受导光线；在纤维学中又称为子午光线。

图中光线1垂直光纤端面射入，并与光纤轴心线重合时光线沿轴心线传播。一般这种光线需要通过几千、几万、甚至更多次德全反射（全反射次数与光线长度、直径有关），才能从光线的一段穿到另一端。光线1、2的特点是光在光纤中的传播路径始终在同一平面内，这中光线称为受导光线；在纤维学中又称为子午光线。

光纤的特点之一是柔软可弯曲。弯曲有两类：一类是有意的，必需的；一类是在制造、成缆、施工等过程中引进的随机性弯曲。这样，当光纤弯曲严重时，原来在直部能产生全反射的子午光线，到弯部便从芯线弯曲的外侧面逸出，造成光信号强度不必要的损耗。

四、探测器

一个良好的光纤通信通信系统需要一个好的光接收电路，尤其需要一个有效快速的光电探测器。光电探测器是光接收机的关键，为此对探测器的要求有：

１）对应于使用波长的光波，要有高的灵敏度（对微弱的光信号脉冲能快速响应），即响应度要高。 ２）要有足够宽的带宽。

３）接收解调过程中附加噪声要小。

光电检测器的种类很多，常用的有四种：光电倍增管，光电导探测器，光电二极管，雪崩光电二极管。 光通信实验系统的组成 1、光源及探测器

空间激光通信所使用的光源为台湾产专用半导体激光器，波长为650nm，输出功率小于5mw，其P—I特性曲线如下：

使用的模块HFBR2416位高性能的光检模块。我们在实验系统的光接收机部分设计了专门的光功率计，可实时显示当前的光功率当量。此部分可完成的实验功能有： （1）LED光源特性测试 （2）LD光源特性测试 （3）PIN探测器特性测试

（4）静态工作电的选择及其对通信质量的影响。 2、光纤

本实验系统中所采用的光纤为美国康宁公司产多模通信光纤，可完成的实验功能是：光纤弯曲损耗对传输质量的影响。

3、模拟通信模快和视频传输模块

光通信一般适用于数字通信。模拟传输技术就不容忽视了，特别是在广播电视短程传输、工业与交通监控管理系统等专用系统，模拟传输系统以其成本低廉和实用而受到人们的普遍重视和应用。为此，本实验系统中专门

设计了模拟光通信实验模块和视频传输模块。

模拟光通信部分具有功能：

（1）信号的基带直接强度调制。即用信号直接驱动光源，光源的强度变化与原始信号一致，是最基本的调制方式。

（2）信号的脉冲宽度调制（PWM）。即将原始信号的用脉冲宽度表示，此种调制方式有利于多路模拟信号传输。 （3）信号的脉冲频率调制（PFM）。式目前单路模拟信号光纤传输方式传输质量最高的方式之一。信号经脉冲频率调制后，频谱将会变宽，并以此可换取传输质量的提高，而且由于光源的非线性对系统影响不大，故调制度可以增加。 4、数字通信模块

数字光纤通信的基本原理是见数字通信中的数据传输信号首先经过电—光变换成光脉冲数字信号，然后通过光纤传输到数字通信的对方，最后再经过光—电变换、防大、均衡与定时再生还原成数字信号。

数字基带传输实验。在有些数字通信系统中，传输的数字信号不需要进行调制和调解，直接用基带信号进行传输，这种传输方式叫做数字基带传输。

3 实验内容

1.将光纤两端的插头分别与光发射机的输出端和光接收机的输入端相插接，摄像头和麦克风的插头也插人光发射机的相应部位。

2.光发射机和光接收机全置于“模拟通信”“音频工作”方式，此时应将相应的两组按键抬起来。２个机器的工作状态全部设置在调强（DIM）的方式。

3.调节光发射机上的偏置电流调节按键，测量出光发射机中发光二极管的驱动电流I与光接收机中光探测器件测出的发光二极管的光功率的相对值P若干组数据记入下表中，在坐标纸中以电流Ｉ为横轴、相对光功率Ｐ为纵轴作出I—P特性曲线。 LED的电流I 相对功率P 4.将光发射机置于内置信号源的正弦波状态，两个机器全部选强度调制（DIM），从接收机的TP2（或者TP1）接入示波器的探头，调节示波器使之出现两个周期的波形，记下发光二级管静态工作点与接收机解调出的波形的若干组对应值和曲线图填入下表中，并且由这些数据优选出“调强”模式下发光二极管的最佳静态工作电流（要求波形既不失真、传输幅度还要大，两者要兼顾） LED电流 波形 波形的失真情况 波形的幅度(格数） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 10 20 30 40 50 60 70 5.将两个机器全选在“PFM”指示灯亮（即调频传输）的状态，光接收机要求按动“模拟”按键才能实现工作状

态的转变。

6.将示波器的探头接在光接收机的TP3端子上，调节示波器使之显示传输后的正弦波。 7.调节发光二极管的静态工作点，观察示波器的波形有无变化，为什么试验结果与前者不同？

8.将两个机器全部选中“PWM”灯亮（即调宽传输模式），示波器的探头接光接收机的TP4端子，调节示波器的波形大小合适。

9.从０开始增加发光二极管的静态工作电流，观察波形大小以及稳定性的变化，并且记录下静态工作电流太小以及太大对信号传输质量的影响，找出最佳的静态工作点电流（要求波形的稳定性和大小要兼顾）。

10.将两个机器分别设置在调强、调频、调宽３种不同的通信模式下，并将光发射机设置在麦克风传输状态，对着麦克风吹口哨（要用吸气式的日哨声）并且改变口哨声的频率，直到示波器出现良好的正弦波。

11.将两个机器分别设置在视频传输状态，首先用高分辨率黑白监视器观察经过光纤传输以后的图像信号质量，此过程要配合调节摄像头的聚焦使得图像最清晰。再将液晶显示器连接上，观察图像的颜色传输质量。 12.学习和了解液晶显示器的基本知识和使用方法。

4 实验数据处理

（1）光发射机中发光二极管的驱动电流I与光接收机中光探测器件测出的发光二极管的光功率的相对值P若干组数据记入下表中，在坐标纸中以电流Ｉ为横轴、相对光功率Ｐ为纵轴作出I—P特性曲线。 LED的电流I 相对功率P 13 14 16 18 20 22 24 27 30 33 35 38 40 43 47 50 53 55 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 I-P关系图807060504030201001357911I值13151719

（2）将光发射机置于内置信号源的正弦波状态，两个机器全部选强度调制（DIM），从接收机的TP2（或者TP1）接入示波器的探头，调节示波器使之出现两个周期的波形，记下发光二级管静态工作点与接收机解调出的波形的若干组对应值和曲线图填入下表中，并且由这些数据优选出“调强”模式下发光二极管的最佳静态工作电流（要求波形既不失真、传输幅度还要大，两者要兼顾）

P值系列2DIM

LED电流

0

10

20

30

40

50

60

70

波形

失真度变小

失真度变

小

稍微失真 不失真

不失真

不失真

饱和失真

波形的失真情况

严重截止失真

波形的幅度（格数）

1 2 3 4 4 3.5 3 2.5

（3）从０开始增加发光二极管的静态工作电流，观察波形大小以及稳定性的变化，静态工作电流太小以及太大对信号传输质量的影响下最佳的静态工作点电流。 I=60时，输出波形幅度最大 (4)PFM LED电流 波形的失真情况 波形的幅度（格数） 4 4 4 4 4 4 4 4 0 不失真 10 不失真 20 不失真 30 不失真 40 不失真 50 不失真 60 不失真 70 不失真 PWM

LED电流 波形的失真情况 波形的幅度（格数） 0.5 1 1 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 不失真 10 不失真 20 不失真 30 不失真 40 不失真 50 不失真 60 不失真 70 不失真

5 试验讨论

在强度调制光纤通信模式下实验现象的理论探讨：

当光发射机的发光二级管静态电流为0毫安的时候，示波器上的波形是严重失真的。主要表现为正弦波的下半部分被削去了一部分，这就是所谓的“截止失真”。处在这个区域的发光二级管，没有光线输出，进入光纤的光为零，所以接收端没有收到光信号，所以光接收机输出的电信号为零，在示波器上显示的是一条直线。这种情况下波的幅度也是比较小的，在示波器上显示的只有三个大格，这主要是正弦波的下半部分被削去一部分引起的。这种工作状态是我们不希望的，因为它会给光纤通信的信号传输带来严重的信号失真。

当光发射机的发光二级管静态电流为10毫安的时候，示波器上的波形失真有所减小，正弦波的“截止失真”的区域缩短了，这主要是由于光发射机的发光二极管静态工作电流有所增加，可允许正弦波负半周在较大的范围

内增加电流（负的值）而不会引起较大范围内的截止失真（即进入发光二级管不发光的状态的区域缩小了）。在这种情况下波的幅度有明显的增加，这主要是正弦波的下半部分被削去的那一部分区域变小引起的。

当光发射机的发光二级管静态电流为50毫安的时候，示波器上的波形失真几乎看不出来了，这主要是由于光发射机的发光二极管静态工作电流进一步的增加，可允许正弦波负半周在较大的范围内增加电流（负的值）而不会引起截止失真（即完全避开了发光二级管不发光的状态的区域）。在这种情况下波的幅度仍然有明显的增加，这是因为上述正弦波的下半部分被削去的那一部分区域被补上了引起的。

当光发射机的发光二级管静态电流为60毫安的时候，示波器上的波形失真一点也看不出来了，这主要是由于光发射机的发光二极管静态工作电流进一步的增加，进入发光二级管的线性工作区域带来的效果。但是这个时候已经看不出波形有幅度的变化，这是因为“截止失真”已经不存在了。

当光发射机的发光二级管静态电流为70毫安的时候，示波器上的正弦波波形的上半部分开始出现馒头状的失真状态，这是因为发光二极管增加到这个电流数值的时候，发光二极管光强的增加开始小于发光二极管驱动电流的增加，也就是说发光二极管开始进入非线性工作状态，换句话说，发光二极管开始进入饱和工作状态。这种工作状态也是我们不希望的，它也会给光纤通信带来较大的失真。通过实验还可以发现，示波器上正弦波的幅度有所降低，这是因为信号正弦波的正半周的幅度由于饱和失真引起的，也就是说正弦波的正半周被压缩小了，由于饱和失真的存在，使正弦波的正半周达不到应该到达的幅度。

当光发射机的发光二级管静态电流为》70毫安的时候，示波器上的正弦波波形的上半部分失真度进一步的增加，这时候光发射机的发光二级管的光线输出幅度更加跟不上电流增加的幅度，所以饱和失真更加严重。 纤通信对信号的传输质量有三个重要方面：

1、传输的信号尽可能减小失真，也就是说要有较高的保真度；

2、对传输信号的效率要尽可能地高，这样可以大大减少放大器的个数，并且有利于减小整个系统的失真； 3、允许传输的信号动态范围越大越好，这样才得以使复杂信号各种频谱成分的高幅度的频率成份不至于产生“削顶”失真，而“削顶”失真是由于信号的正负半周均被削去顶部引起的，这种状态实际上就是由“截止失真”和“饱和失真”共同作用于信号引起的。光纤通信要兼顾上述三个传输质量的要求。

根据上述的实验数据和理论分析，可以看出，本实验系统光发射机发光二极管的工作电流取60毫安最好，因为在这种状态下，对信号的传输失真度最小，传送到示波器上波形幅度最大（也就是说，对信号的传输有最高的效率，在光接收机输出的信号最强），而且动态范围也是最大的（因为电流在小于60毫安时，将进入临界截止失真或者截止失真状态；电流在大于60毫安时，将进入临界饱和失真或者饱和失真状态，这两种情况下都会使传输的信号幅度变小，降低了光纤通信的效率）。 在光纤通信的频率调制模式下实验现象的理论探讨：

在频率调制模式下的信号传输质量，与发光二极管的静态工作电流没有关系，这是因为在这种通信模式下，所要传输信号的信息是“装载”在频率的变化上，所以与发光二极管的线性或者非线性工作状态没有关系，也就是说，与发光二极管的静态工作电流没有关系。

6 结 论

通过对光纤技术发展的特点以及光纤通信系统的传输实验我们可以了解到光纤通讯是目前世界上最先进的通信方式，与其它通信方式相比，光纤通讯具有：

1. 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8-9个数量级，故所开发的容量很大。 2. 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。 3. 体积小，重量轻。 同时有利于施工和运输。

4. 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰 和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。 5.节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家 节约大量有色金属。

6. 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件，未来的光纤通信将向超高速系统、超大容量WDM系统演进，而实现光联网是整个光纤通信发展的战略大方向。我们期待着这些新技术的实现来更大的促进整个信息产业的发展。

从光纤通信技术和我国现状而言，我国干线光缆网的科研和应用发展的重点应放在常规的强度调制直接检波技术、光同步数字体系与数字交叉连接技术的发展及推广应用上;对于掺铒光纤放大器和密集型波分复用，要尽快实用比。从本地用户光纤网来看，现阶段应重点发展用户光纤环路和同CATV有关的技术，并积极开展对异步传输模式的本地用户光纤通信系统的研究。从海底光缆网看．它是将来组成我国沿海光缆网络和全球光缆网的必要技术。对海底光缆通信技术开展研究特对我国的光电集成电路技术、光放大和波分复用技术、光弧子通信技术的发展起重要的促进作用，为缩小我国通信技术与国际水平的差距、建成四通八达并具有巨大社会经济效益的现代化通信网而创造良好的条件

通过上面的模拟传输模式的大量实验证明当光纤通信设备置于调宽、调强工作模式时，静态工作点电流的大小对波形影响较大，要兼顾光纤通信的传输效率和失真度，发光二极管各自有一个最佳工作电流；并且可以推断，光发射端的发光二极管不同的型号，其最佳静态工作电流会有所不同的。当置于调频传输模式时，调节发光二极管的静态工作点，波形无变化，这种传输模式下可以不给发光二极管提供静态工作电流，并且信号传输的质量很高，是一种很好的光纤通信模式。光纤通信，不受温度、电磁场等外在环境的影响，是一种优秀的通信方式。

参考文献：《光纤通信实验讲义》，赵杰。