1.3 光纤通信系统
1.3.1 光纤通信系统基本组成
光纤通信是以光纤光缆作为传输媒质，以光作为信息载体的一种通信形式，其基本组成如图1.4所示。发送端首先将所要传送的声音或图像转换成电信号，而后利用这个电信号来改变光的某个参数如光强或频率等，再利用光纤将调制后的光信号传送至接收端，接收端则用光电二极管（PIN-PD）或雪崩光电二极管（APD）等光检测器将光信号恢复为电信号，再经解调放大后恢复出所发送的原始信号。在实际光纤通信系统中所要考虑的因素还很多，如调制方式、发光元件、光纤、光检测器件、放大再生，以及所要传送的信号、传送系统的编码格式、中继设备以及系统的可靠度等因素。
由图1.4可见，光纤通信系统主要由光发射机、光接收机、光纤（光缆）、中继器和光纤连接器五部分组成。
（1）光发射机
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能主要取决于光源的特性，对光源的要求是：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD）和动态单纵模分布反馈（DFB）激光器，也有使用固体激光器作为光源的通信系统。
图1.4 光纤通信系统基本组成
光发射机把电信号转换为光信号的过程称为调制。主要有直接调制和间接调制两种调制方式，如图1.5所示。
图1.5 光发射机的组成形式
所谓直接调制是用电信号直接改变半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而变化。这种方案技术简单、成本较低且易于实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。间接调制，亦称外调制，它是把激光的产生和调制相互分开，用独立的调制器调制激光器的输出光实现的。目前有多种调制器可供选择，最常用的是电光调制器。电光调制器利用电信号改变电光晶体的折射率，使通过调制器的光参数随电信号变化而实现的调制方式。间接调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂、成本较高。因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用间接调制。
对光参数的调制，原理上可以是光强、幅度、频率和相位，但实际上目前大多数光纤通信系统都采用直接光强调制。因为幅度、频率或相位调制，需要幅度和频率非常稳定，且相位和偏振方向可以控制，所以这些调制方式只在新技术系统中使用。
（2）光接收机
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低、响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：光电二极管和雪崩光电二极管。
光接收机把光信号转换为电信号的过程，是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把输入光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中进行混频，从而输出中频光信号，再由光检测器把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定、相位和偏振方向可控制、谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制（直接检测）方式。外调制（外差检测）方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是很有发展前途的光通信方式。
光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路色散的影响，同时还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。灵敏度是反映光纤通信系统质量技术指标。
（3）光纤或光缆
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。光纤信道由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤信道的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是可容纳许多根光纤的光缆。光纤线路的性能主要由光缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数尽可能小，同时还要求光纤有足够好的机械特性和环境特性，即要求光纤或光缆在不可避免的应力作用下或环境温度改变时，也能保持传输特性稳定。
目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤通信系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。为了适应不同通信系统的需要，市场上已经出现了多种结构不同、特性优良的单模光纤。
石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在850nm、1310nm和1550nm有三个损耗很小的波长“窗口”。在这三个波长窗口损耗分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。石英光纤在波长1310nm色散为零，带宽极大值高达几十GHz。通过光纤设计，可以将零色散波长移到1550nm，实现损耗和色散都最小的色散移位单模光纤；或者设计在1310nm和1550nm之间色散变化不大的色散平坦单模光纤等。根据光纤传输特性的特点，光纤通信系统的工作都选择在850nm、1310nm和1550nm，特别是1310nm和1550nm应用更加广泛。因此，作为光源的激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1550nm的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。
（4）中继器
中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一是补偿光信号在光纤中传输时产生的衰减；另一个是对波形失真的光脉冲进行校正。
（5）光纤连接器、耦合器等无源器件
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1km），因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。
光纤通信系统也分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统，前者传模拟信号，后者传数字信号。