光纤通信原理及应用
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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常高，约为810MHz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。
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。
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： 百度文库 - 让每个人平等地提升自我
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（图1）
设bU是反向偏置电压，LR是负载电阻，与输入光通量成正比的电压信号U从LR的两端输出。bU、LR和光电二级管串联连接。
其回路方程为：
()bLUIUIR (1)
式中，()UI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bLUIR,是一条斜率为1/LR，通过bUU点的直线，与纵轴交于/bLUR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0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0改变时，在负载电阻LR上会产生U的电压信号输出和I的电流信号输出。
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。 百度文库 - 让每个人平等地提升自我
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（图2动态计算图解）
假定输入光照度为正弦变化，即：
0sinmeEEwt (2)
光照度的变化范围为0mEE。在信号通频带范围内，耦合电容cC可认为是短路，则等效交流负载电阻是bR和LR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0EE对应的伏安特性相交于Q点。
负载电阻上的输出电压峰值mU可利用图中阴影线三角形MHQ的数值关系计算。其中：
mmLbIUGG (3)
在图中线段MH上有电流关系：
mEmmISEGU (4)
负载电阻LR上的输出功率LP为：
2[]2EmLLbLSEGPGGG (5)
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4 最大功率输出条件的直流偏置电阻0bR和电源电压bU可用解析法计算如下：
静态工作点的电流值：
()QbQbIUUG (6)
解得：
0bbEQbGUSEUGG (7)
其中，在电压轴上工作点Q处的电压QU为：
02()EmQmMMbSEUUUUGG (8)
故可计算出直流偏置电阻0bR为：
002()(2)2bMbEmmUURSEEGU (9)
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。
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：
()(,,,)(,)jwtzEztEe (10)
其中，(,)E为幅度因子，为电磁波在Z方向传播的速度，不同的值就代表不同的模式。
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，如果百度文库 - 让每个人平等地提升自我
5 传输速率过大就会出现严重的码间串扰问题，为了尽可能高地提高信道的利用率，可以尽量地提高信噪比。由香农定理信道的极限传输速率C为：
2log(1/)(/)CWSNbs (11)
其中W为带宽。/SN为信号的平均功率和噪声功率的比值。
3. 分析结果
. 光电转换的分析
根据对光电信号输入电路的静态及动态计算，我们必须合理地选择电路的参数来提高电路的稳定性。在静态计算中，当偏置电压bU不变时，对于同样的输入光通量0，负载电阻的减小会增大输出信号电流，而使输出电压减小。同时就根据光通量的变化范围和输出信号的幅度，来得到最大不失真输出电压，并保证其不高于器件最大工作电压。
. 信息传输的分析
在信号开始传输之前，首先要对信号进行调制，这样不仅能够提高信号的传输量，而且还能够减小信号传输过程中出现的干扰和噪声。同时，香农定理指出了只要在信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错传输。这样就能致力于寻找更加可靠的信号传输方法。
4. 光纤通信的具体应用
光纤具有带宽大，抗干扰能力强，传输速率高等特点。因此，它主要应用在高速的网络通信中。如由国际电子电气工程师协会提出的标准。而对于传输速率高达10Gb/s的以太网来说，只有光纤才能够满足如此高的传输速率。因此光纤通信的发展趋势主要有以下几种：
1. 向超高速系统的发展：
传统光纤通信的发展始终按照电的时分 复用(TDM)方式进行，每当传输速率提高4倍，
传输每比特的成本大约下降 30％～ 40％：因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长。
2. 向超大容量 WDM 系统的发展：
用电的时分复用系统的扩容潜力已经达到了极限， 然而光纤的 200nm 可用带宽资源仅仅利用了不到 1％，因此还有大大的利用空间。
3. 实现光联网：
随着 IP 业务量的爆炸式增长，对线路通信的要求越来越高，电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展， 因而构建具有巨大传输容量的光纤基础设施是下 一代网络的物理基础。 百度文库 - 让每个人平等地提升自我
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5. 结论
构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光电技术及通信技术的发展为光纤通信应用奠定了基础，本文主要分析了光电信号检测电路中光信号输入电路的静态计算和动态计算，为光电检测电路设计提供了理论依据，并解释了光电检测过程中应如何设置合适的参数来满足电路的正常工作；同时分析了信号在光纤中的传输方法及提高信号的传输速率的原理，从而为提高信道的有效利用率提供了基础。
6. 参考文献
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