【知識分享】光纖通訊

光纖：光導纖維的簡稱。

光是一種電磁波。

光纖之父——高錕。

光纖通訊的發展史主要體現在兩方面： 光纖材料和半導體鐳射器技術。

光纖的一般結構：

    光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經過複雜的工藝拉制而成，由 纖芯、包層、樹脂塗覆層組成。

        - 纖芯的作用： 傳輸光訊號。

        - 包層的作用： 使光訊號儘可能封閉在纖芯中傳輸。

        - 塗覆層的作用： 保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的柔韌性。

光在光纖中的傳輸條件：

    纖芯的折射率 n 1 高於包層的折射率 n 2 ,即  n 1 > n 2 。這樣可以保證光在光纖的纖芯和包層的分介面上進行全反射，在纖芯中曲折前進。

光纖通訊系統的組成：

    - 光發射機： 由驅動電路、光源、調製器組成。 光源是核心，將電訊號轉化為光訊號，並將生成的光訊號注入光纖。

    - 光纖線路： 由光纖、光纖接頭、光纖聯結器組成。為光訊號的傳遞提供通道，儘可能減少畸變和衰減。

    - 光中繼器： 將經過一段 光纖 線路傳輸後產生失真的光訊號進行放大及再生後送入下一段光纖中傳送從而延長光訊號傳輸距離。

    - 光接收機： 由光檢測器、光放大器和相關電路組成。 將光線傳來的光訊號轉化為電訊號，並進行放大和恢復。

      光電檢測器：是光接收機的關鍵器件，功能是把光訊號轉化為電訊號。

光源的作用： 將訊號電流轉換為光訊號功率，實現電->光轉換。

      型別： ①半導體鐳射器LD  ②發光二極體LED ③分散式反饋鐳射器DFB.

發光二極體LED的型別： 面發光LED、邊發光LED、超輻射LED。

光纖的分類：

（1）按照光纖 橫截面上徑向折射率分佈不同，可分為 階躍折射率光纖和 漸變折射率光纖。

（2）按照 傳輸模式的數量不同：分為 多模光纖和 單模光纖。

     - 多模光纖： 在一定的工作波長上，有多個模式在光線中傳輸，不同的傳輸模式會具有不同的傳播速度和相位。

    - 單模光纖： 只能傳輸一種模式的光纖。即只能傳輸基膜（HE 11）,不存在膜間時延差，頻寬大，適合高速率傳輸。

實用光纖的三種基本型別：

（1）階躍型多模光纖： n1,n2均為常數，光線傳輸路徑為折線。

（2）漸變型多模光纖： 纖芯折射率n1不是常數，在纖芯中有最大值n1，並沿徑向方向按規律減小至n2，包層折射率不變，仍為n2,光線傳輸路徑為連續的彎曲線。

（3）階躍型單模光纖： 傳輸路徑為直線，存在較大的模間色散。

模式的概念： 空間分佈在傳播過程中 只有相位的變化，沒有形態的變化，且始終滿足邊界條件。 這種空間分佈稱為導波膜的模式，簡稱模式。

    - 模式截止： 導波膜截止是指電磁能量已不能束縛線上芯中傳播而向包層彌散的臨界狀態。

    - 模式數量的計算：由歸一化頻率V決定。

光與物質的相互作用的三種形式： 受激吸收（低能級——>高能級）、自發輻射（高能級——>低能級，LED發光機理）、受激輻射（高能級——>低能級，LD半導體鐳射器的發光機理）。

     受激輻射： 在外來光子的激勵下，電子被迫從高能級躍遷到低能級與空穴複合，同時釋放出一個與外來光子同頻同相、同方向的全同光子。

    光電效應： 在光的照射下，使物體中的電子脫出的現象。

限制光纖通訊的兩大特性是：  損耗和色散。

    - 損耗： 光在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小的現象。有三種損耗，分別是散射損耗、吸收損耗、彎曲損耗。影響傳輸距離。

    - 色散： 色散是由於光波中的 不同頻率分量以不同的速度傳輸而產生 不同的時間延遲的一種物理效應。有模式色散（多模光纖），波導色散、材料色散三種（其中波導色散&材料色散合稱為色度色散（單模光纖））。影響傳輸容量。

數字光接收機的構成：

              

- 光檢測器： 完成光電轉換。

    - 前置放大器： 將光檢測器輸出的微弱電流訊號經過負載電阻後放大為較強的電壓訊號。

    - 主放大器： 提供較高的增益，放大到適合判決電路所需的電平。

    - 均衡濾波器：對主放大器輸出的失真數字脈衝訊號進行整形。

    - 判決與時鐘恢復電路： 提取碼元時鐘訊號，完成數字訊號的再生。

光接收機重要引數：

    - 誤位元速率：光接收機對碼元誤判的機率稱為誤位元速率，用誤判的碼元數和接收的總碼元數的比值來表示。二進位制下稱為BER。

    - 靈敏度：在保證通訊質量（限定誤位元速率或訊雜比）的條件下，光接收機所需的 最小平均接收光功率P min，並以毫瓦分貝dBm為單位。

光放大器 

   - 原理：  基於受激輻射或受激散射原理實現入射光訊號放大的一種器件。 

   - 分類： 半導體光放大器（SOA）、拉曼光纖放大器（RFA）、摻雜光纖放大器（DFA）。

慘雜光纖放大器的分類： 鉺（Er）摻雜光纖放大器（EDFA），波長1550nm。

                     鐠（Pr） 摻雜光纖放大器（PDFA），1300nm。

                     銩（Tm） 摻雜光纖放大器（TDFA），1400nm。

摻 鉺 （Er）光纖放大器（EDFA）： 利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益物質，在 泵浦光 的激發下實現光訊號的放大。在泵浦光的激發作用下實現粒子數反轉分佈，在訊號光的激勵下 摻餌光纖 實現光訊號的放大。

    摻餌光纖&泵浦源是EDFA的關鍵器件。

       - 優點： 工作波長正好落在光纖通訊的最佳波段（1500nm - 1600nm），與光纖耦合損耗小； 增益高，飽和輸出功率大； 噪聲係數小，隔離度大，串擾小適用於波長分波多工； 頻頻寬，可進行多通道傳輸，有利於提高傳輸容量。

光纖通訊的相關器件：

   -  光隔離器： 只允許光單方向傳輸，阻止光往其他方向特別是反方向傳輸。

          - 用途： 用在鐳射器或光放大器後面，以避免反射光返回到該器件致使器件效能變壞。

   - 光耦合器： 功能是把一個輸入的光訊號分配給多個輸出，或者是把多個輸入的光訊號組合成一個輸出。（光訊號分路/合路） 

   - 熔接機： 作用是將光纖或光纜 永久固定在一起。 

   - 光纖聯結器： 實現光纖與光纖之間的 可拆卸連線的器 件，是活動的連線。主要用於光纖線路與光發射機輸出、光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連線。

   - 光纖接頭： 是實現光纖與光纖之間的 永久性（固定）連線，主要用於光纖線路的構成，通常在施工現場。

   - 光開關： 功能是轉換光路，實現光交換。

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