光纤通信：关键概念与技术-讯速信远

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Optical Fiber Communication

光纤通信：关键概念与技术（一）

01太阳光在光通信中的应用

Optical Fiber Communication

1880年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔进行了一项实验，他利用自然光（阳光）通过“光电话”将语音转化为光信号。这些光信号传输约700英尺后，再转换回语音供接收者聆听，如今被认为是人类首次实现的无线语音传输。不出所料，由于传输路径是空气介质，光信号容易扩散，加上降水和物理障碍物等干扰因素，这种方法最初在长距离传输时存在明显困难。

图1.贝尔光电话设计原理

光学通信技术真正投入实际应用，足足等了近百年，这主要归功于光纤和激光的发明。激光器通过仅几微米见方的半导体窗口发射出稳定且高度定向的光束，能够承载海量信息。当这种技术与光纤（一种纤薄如发丝的高性能传输介质，能有效捕获光信号并实现远距离传输且衰减极小）相结合时，堪称技术革命，为光通信领域的创新奠定了基础。

02浅谈光纤通信的工作原理

Optical Fiber Communication

光纤通信最重要的两个要素是：光衰减极小的传输介质和工作电流很小的高稳定性、高寿命光源。

光通信过程可分解为若干简单步骤：

1. 电信号从终端（如电话、计算机、服务器）发出

2. 它通过电光转换器（E/O）将数字信号“0”和“1”转换为闪烁光，从而转化为光信号。

3. 该信号沿光纤传输，传播后通过接收端通信伙伴的光电转换器（O/E）转换回电信号。

E/O转换器使用发光元件如半导体激光器，O/E转换器使用光接收元件如光电二极管，光纤的输入和输出端使用光学元件如透镜。需要注意的是，半导体激光器的发光部分尺寸约为 μm ，光电二极管的光接收部分尺寸约为100 μm ，而光纤的核心直径约为10 μm ，这需要先进的技术来精确对准它们。

图2. 光纤通信系统的基本配置

03光纤的优势

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与传统金属电缆相比，光纤具有低损耗（约0.2dB/km）和宽频带（数百MHz至太赫兹）的优势，可实现长距离、大容量通信。此外，光纤重量轻且抗干扰能力强（无电磁感应）。

04光纤结构

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光纤由一个传播光的圆柱形芯和围绕它的同心包层组成。包层的折射率略小于芯，这使得光被限制在芯内，并通过与包层边界处的多次全反射传播。光纤细如发丝（直径125 μm ，芯径9 μm – 62.5 μm），大多数用于通信的光纤由石英玻璃制成。

图3. 光纤结构

05光纤类型

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当光线在光纤中传播时，由于光纤纤芯与包层的折射率差异与纤芯厚度之间的关系，只有特定角度的反射会持续发生。这种特殊角度被称为传播模式。当存在多个此类角度时称为多模光纤，当仅有一个角度时则称为单模光纤。在多模光纤中，渐变折射率（GI）光纤因其纤芯折射率分布呈渐变变化而独具特色。目前光通信领域普遍采用的光纤类型包括单模光纤和渐变折射率光纤。

图4.不同光纤类型透光率示例

表1.光纤特性与应用

06光纤损耗

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光信号通过石英光纤时，其速率衰减会随光波长的变化而变化。图5中的示例展示了不同波长的光纤损耗情况。第二和第三波段（1.3 μm ，1.55 μm）的损耗较小，是目前主要使用的波长范围。随着光纤技术的进步，1.3 μm 波长的光信号强度减半的距离已延长至约10公里，而1.55 μm 波长的光信号强度减半距离则延长至约20公里。在传输电信号的同轴电缆中，信号强度在大约1公里后就会减半。

图5.光纤损耗

07光纤传输带宽

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光纤通信速度以每秒可传输的信号数量（bps）来衡量，传输速率越高，可承载的信息量就越大。在数据通信领域，高速传输通常被称为宽频带传输。对于同轴电缆而言，由于信号衰减效应的存在，其传输速率存在实际增长上限。而光纤通信则不同，即使传输速率提升也不会产生衰减，这使得它能够承载海量数据。

图6.各种光纤的光传输特性

08半导体激光器

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半导体激光器能将电信号‘0’和‘1’转换为闪烁的光信号（强度调制），凭借其高速调制能力，特别适用于高速数据通信；光电二极管则将光信号转换为电信号。这类高速设备每秒可闪烁并检测约250亿次（即通信速度达25 Gbps）。

图7.半导体激光器的调制

DFB激光器和FP激光器

光通信领域中，半导体激光器主要分为分布反馈（DFB）型和法布里-珀罗（FP）型两大类。表2详细列出了两者的特性对比。二者的核心区别在于光谱特性：FP型激光器能发射多波长光，因此光谱范围较广；而DFB型激光器则发射单一窄波长光，这种特性使其成为长距离、大容量光纤通信的理想选择。

表2.半导体激光器的类型

DFB激光波形几乎不会发生畸变，而FP激光波形则会随时间扩散，容易导致数字编码错误。这种现象源于光波长引起的传输速度变化，业内称为色散效应。传输距离越长，发射端与接收端之间的波形失真就越严重，这直接制约了通信距离。要实现长距离大容量的光纤通信，关键在于“少即是多”——激光器的发射波长越少，传输效果就越好。

图8.传输和接收数字信号的光纤类型

09光纤放大器

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无论光纤损耗多么低，所有光线最终都会衰减变弱。若传输距离仅几十公里，这倒不成问题；但若传输距离达数百甚至数千公里，衰减的光信号就必须通过某种方式恢复到足够强度。为解决这一难题，光纤放大器（有时称为光纤泵）可直接放大光信号而无需将其转换为电信号。以掺铒光纤为例，这种光纤在其玻璃芯基质中掺入了稀土元素铒。铒能吸收激发光源发出的光，并将吸收的光能以1.5微米波段的光通信信号形式输出。因此，当微弱光信号通过掺铒光纤时，会被放大并输出为更强的光信号。

图9.光纤放大器的工作原理

WDM传输

要实现高速传输海量数据，主要有两种方案：提升传输速率或增加传输通道数量。虽然提升传输速率在一定范围内具有成本效益，但电子电路等技术存在性能瓶颈。即便将光纤数量增加百倍，现有传统光纤电缆仅配备少量纤芯对。为此，业界采用波分复用（WDM）技术，通过减少光纤数量实现高速大容量数据传输。

早期的光通信技术采用单根光纤传输单个光信号，并通过闪烁该光信号实现数据传输。而波分复用（WDM）技术则能在同一根光纤中同时传输多个光信号。需要特别注意的是，当所有光信号的波长相同时，它们将无法被区分。为此，人们引入了不同波长的辅助光信号——红、紫、青、绿等颜色的光（这些颜色并非真实存在的可见光）通过单独闪烁并传输于同一根光纤中。这项突破性技术无需增加光纤数量，就能使传输容量提升数倍甚至数十倍。当与光纤泵配合使用时，波分复用技术还能实现更大容量、更高速的数据通信。

图10.光纤上的波分复用传输

10光多路复用器/DEMUX

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当需要通过单根光纤传输多个光波长时，会使用光复用器（MUX）将它们合并或复用成一束光进行传输。对于相反的功能，当复用信号需要分离回各自具有不同波长的独立信号时，则使用光解复用器（DEMUX）。这些组件有两种类型：一种使用薄膜滤波器，另一种使用阵列波导光栅。两者都具有优异的特性，选择通常取决于系统配置。

11网络配置

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光纤通信使用称为光纤到户（FTTH）、光纤到站（FTTP）和光纤到房（FTTR）的接入线路。这些接入线路通过一个称为骨干网的网络连接，而这些骨干网又通过一个城域网相互连接。密集波分复用（DWDM）是一种可以使用数百个光波长以密集波长间隔复用的系统，而粗波分复用（CWDM）则以较粗的波长间隔（约20纳米）复用光波长。

图11.光纤通信网络配置概念

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光纤通信：关键概念与技术（二）

01光纤通信测量仪器

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因为光是一种波，所以振幅和波长频率对于监测和测量非常重要。单位时间内波的数量（频率）被称为波数，而振幅是与光强度相关的量，以光功率为单位进行测量。通常，光功率计相当于用于电气测量的伏特计，光波长计（OWM）相当于频率计，光谱分析仪（OSA）则相当于电频谱分析仪。在光谱分析仪中，传统（电信号）频谱分析仪的频率扫描电路被替换为使用光学棱镜的设备，检测电路则被光电二极管（O/E转换器）所替代。

图1.光波长图

02光学光谱评价

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当光线穿过棱镜时会产生彩虹般的光谱效果，这些由不同颜色组成的条带被称为光学光谱。在光纤通信中，光学光谱表现为一张图表，其中光的成分被分解为不同波长，横轴代表波长，纵轴代表光功率水平。光纤通信使用的光并非像阳光这样的自然光，而是激光等人工光源。图2展示了阳光和激光的光学光谱示例。由于人工光源的光谱在光纤通信中至关重要，因此需要进行精确评估。此外，波分复用（WDM）传输技术通过在波长域复用信号，使得光谱分析成为构建通信网络的关键测量技术。

图2.太阳光与激光的光谱

03光学光谱分析与测量

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光谱分析仪（OSA）用于测量激光器、发光二极管等发光元件（有源器件）的光谱特性。该设备可帮助用户确定发射波长与光谱宽度，测量无源器件的输入输出特性，并观测衰减特性、传输特性、截止波长等参数。光谱测量的性能要求包括：

1. 宽频带

2. 高灵敏度

3. 高速（波长扫描）

4. 波长测量准确度（读数）

5. 高分辨率（将两个小 Δλ 区分开为两个波长相近的光谱线 λ 和 λ + Δλ ，将两个光谱线区分开）

6. 光学动态范围（滤光片特性锐度，用于在将待测光分离为相邻波长时抑制并测量相邻波长的光功率）

图3.电频谱分析仪示意图

图4.光谱分析仪示意图

04衍射光栅

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衍射光栅是一种光学元件，能够将多色光中的不同波长成分进行分离，其工作原理与棱镜类似。通过在镜面上刻制极细的刻线（每毫米40至1200条），当光线照射到光栅时，会因光学干涉效应产生衍射现象——不同波长的光线会在特定角度发生相互增强。换句话说，只要确定光线被衍射光栅衍射的方向（角度），就能准确识别出该光线的波长。

图5.衍射光栅

05什么是单色仪？

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单色仪本质上是一种带通滤光器，它能将输入光分解为多个窄波长波段，并通过色散元件（如衍射光栅）调节光的中心频率。典型的单色仪结构（如图6所示）包含凹面镜组（准直镜和聚焦镜）。从光纤入射的光经准直镜准直后，被导向光栅。光栅衍射出的光经聚焦镜聚焦后，会形成光谱（图6中左右两侧的色散方向）并聚焦在中心狭缝处。只有聚焦在狭缝上的特定波长光才会被发射。通过旋转光栅，可改变光的衍射方向，从而实现对发射光波长的调控。

图6.典型单色仪配置

利用带通滤波器改善光学动态范围

如前所述，单色仪本质上是一种光学带通滤波器。图7展示了滤波器特性光通过单级带通滤波器的示例，其通带与阻带之间的差异（即光学动态范围）约为40分贝。若在此光学带通滤波器后连接另一级带通滤波器，动态范围可显著提升。在实际单色仪中，为避免制作两种不同类型的带通滤波器，通过第一级带通滤波器的光会再次返回同一滤波器，从而实现两级滤波结构。这种单色仪被称为双通式单色仪。在评估双包层光纤激光器（DFB激光器）的单色性时（后文将详细讨论），所使用的光谱仪（OSA）应具备足够的光学动态范围。

图7.单色仪的光学动态范围

要获得良好的测量波长精度，精确控制光栅旋转角度至关重要。如前所述，若已知衍射光栅衍射光的传播方向（角度），即可确定该光的波长。在实际单色仪中，通过旋转衍射光栅来扫描波长，旋转角度与所测波长相对应。控制衍射光栅旋转角度的一种方法是使用步进电机（见图8）。若步进电机的旋转分辨率不足以满足波长轴的采样精度，则需通过减速器来提升分辨率。但若减速器因机械精度问题存在误差，这些误差可能在波长测量中显现。

图8.使用步进电机控制光栅

图9展示了另一种光栅控制方法，该方法结合使用伺服电机和编码器。通过编码器检测旋转角度的组合应用，可配置角度控制伺服电路。此外，采用高分辨率光学编码器可提高旋转分辨率，从而无需减速器即可实现光栅高速旋转。

图9.采用伺服电机控制光栅

通过校正单色仪的波长灵敏度特性，可以测量出无电平偏差的光谱。安装在单色仪内的光栅衍射效率和光电二极管的灵敏度具有波长特性。图10显示了单色仪中使用的光电二极管的波长灵敏度特性。铟镓砷（InGaAs）光电二极管用于光纤通信的光谱仪中。如果单色仪内部的测量灵敏度随波长变化，就无法准确测量每个波长的光功率。为了解决这个问题，光谱仪通过内部存储预先存储了一个校正值，用于校正单色仪内部因波长引起的灵敏度差异。在测量过程中，所获得的测量值会自动校正，并显示无电平偏差的光谱。

图10.光电二极管波长灵敏度特性

06光纤网络中光谱测量实例

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光信号分析仪（OSA）是光纤通信领域的标准测量仪器，广泛应用于光纤通信设备（如收发器、放大器）的研发制造。尽管同轴电缆和无线等接入线路形式各异，但若追溯其原始线路，均可连接至光纤网络。

短距离和长距离通信中激光器的光谱比较

光收发模块（即光收发器）是构建光纤网络的关键组件。该模块内部的发射端采用激光器，而光谱分析仪（OSA）则负责评估其光谱特性。图11和图12展示了光收发器激光器典型光谱的测量结果。图11中的激光器专用于短距离光纤通信，而图12中的激光器则用于长距离通信。通过对比可见，两者的光谱形态存在明显差异。

图11.短距离通信激光器的光谱测量

图12.长距离通信激光器的光谱测量

在光纤通信系统中，数字信号的脉冲展宽与光源光谱特性密切相关。简而言之，激光光谱的展宽越小，数字信号的脉冲展宽就越小，这使得通信速度更快、传输距离更远。对于短程激光器（如图11所示），需要通过光谱仪（OSA）来测量光谱展宽。而对于远程激光器（如图12所示），其光谱具有优异的均匀性，此时评估指标则是次级峰值相对于主峰强度的抑制程度。

07光纤放大器增益测量

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所有光纤电缆在传输长距离时都会产生一定程度的损耗，导致信号衰减。光纤泵的增益评估通过一次性放大波分复用（WDM）信号来缓解这一问题。通过测量光纤泵输入和输出信号的光谱特性，可确定其增益。增益G（倍数）的计算公式如下：G =（P OUT - P ASE）/P IN

图13.光纤放大器增益

08WDM信号质量评估

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在波分复用（WDM）传输系统中，光谱分析仪（OSA）通过测量各复用信号的波长、光功率和信噪比（SNR）来评估信号质量。该系统仅采用国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）规定的波长标准。然而，由于激光器的波长会随环境变化而波动，因此精确测量信号波长对维持通信系统稳定性至关重要。当信号经过光纤放大器多次放大传输时，信噪比会逐渐衰减。由此可见，测量信噪比对保障通信系统质量具有关键作用。光谱分析仪还会分析其他直接影响通信系统性能的核心参数。

图14.光谱测量的波分复用信号

案例示例

以下图片展示了光信号分析仪（OSA）在光纤通信设备研发制造中的实际应用场景。图15展示了城域骨干网中使用的波分复用（WDM）信号模拟测量，该信号通过八通道光信号（数字调制激光器）复用器复用，并连接至光信号分析仪及其光纤放大器。图16的测量结果显示，经过复用的八通道光信号波长间隔约为1.6纳米，各通道信噪比（SNR）测量值约为33分贝。

图15.使用光谱分析仪进行波分复用信号测量

图16.WDM信号测量波形与分析

该光谱分析仪配备高性能单色仪，具备0.01纳米的波长分辨率、±0.01纳米的波长精度以及70分贝以上的光动态范围。单色仪采用多级光带通滤波结构，能实现精准的滤波特性，适用于评估高性能、高功能的光器件及传输系统，助力实现长距离、大容量光纤通信。此外，该设备还具备快速扫描速度、丰富的分析功能，并支持局域网（LAN）和GP-IB等多种外部接口，使其在从研发到评估及生产线的广泛应用场景中表现出色。

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