光纖鏈路通常是光纖通信系統(tǒng)的一部分，它提供兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)連接。它本質(zhì)上由數(shù)據(jù)發(fā)送器、傳輸光纖和接收器組成。即使對于很長的傳輸距離，也可以實現(xiàn)數(shù)Gbit/s甚至數(shù)Tbit/s的極高數(shù)據(jù)速率。

所使用的組件主要基于光纖，下面從簡單的單通道系統(tǒng)開始進(jìn)行解釋。隨后討論更復(fù)雜的方法。

光纖鏈路示意圖，包括數(shù)據(jù)發(fā)送器、帶有多個光纖放大器的長傳輸光纖和接收器。放大器可以補(bǔ)充額外的組件，用于色散補(bǔ)償或信號再生。

一、傳輸格式

在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)字的，使得系統(tǒng)非常通用并且相對不敏感，例如對非線性失真。存在各種不同的調(diào)制格式，即用于對信息進(jìn)行編碼的不同方法。例如，簡單的不歸零(NRZ)格式通過發(fā)送高或低光功率值來傳輸后續(xù)比特，比特之間沒有間隙，并且具有額外的同步手段。相比之下，歸零(RZ)格式很容易通過在每個比特后返回到靜止?fàn)顟B(tài)來實現(xiàn)自同步，但對于相同的數(shù)據(jù)速率，它需要更高的光傳輸帶寬。除了設(shè)備的詳細(xì)信息和所需的光帶寬(與調(diào)制效率)，不同的傳輸格式在其敏感性方面也有所不同，例如對噪聲影響和串?dāng)_的敏感性。

二、發(fā)射器

發(fā)射器將電子輸入信號轉(zhuǎn)換為調(diào)制光束。信息可以通過例如光功率、光相位或偏振進(jìn)行編碼;強(qiáng)度調(diào)制是zui常見的。光波長通常位于所謂的電信窗口之一

典型的發(fā)射器基于單模 激光二極管，它可以通過其驅(qū)動電流直接調(diào)制，也可以使用外部光調(diào)制器。直接調(diào)制是更簡單的選擇，可以以 10 Gbit/s 甚至更高的數(shù)據(jù)速率工作。然而，激光二極管中載流子密度的變化會導(dǎo)致瞬時頻率變化，從而導(dǎo)致線性調(diào)頻脈沖形式的信號失真。。特別是對于長傳輸距離，這使得信號對色散的影響更加敏感。因此，對于高數(shù)據(jù)速率與長傳輸距離的組合，外部調(diào)制通常是首 選。然后激光器可以在連續(xù)波模式下工作，并且信號失真被zui小化。

對于甚至更高的單通道數(shù)據(jù)速率，可以采用時分復(fù)用，其中例如具有40Gbit/s的四個通道在時間上交織以獲得160Gbit/s的總速率。對于具有歸零格式的高數(shù)據(jù)速率，使用與強(qiáng)度調(diào)制器相結(jié)合的脈沖源可能是有利的。這降低了對調(diào)制器的帶寬需求，因為調(diào)制器的透射率在脈沖之間如何變化并不重要。

為了實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，發(fā)射器需要滿足許多要求。特別是，實現(xiàn)高消光比、低定時抖動、低強(qiáng)度噪聲和精 確控制的時鐘速率非常重要。當(dāng)然，數(shù)據(jù)傳輸器應(yīng)該在zui少的操作員干預(yù)下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

在簡單的情況下，發(fā)射器中使用發(fā)光二極管，但由于空間相干性差，這需要使用多模光纖。由于模間色散，傳輸速率或距離受到限制;對于更長的帶寬-距離產(chǎn)品，需要單模光纖。對于短距離，幾百 Mbit/s 是可能的。

三、傳輸光纖

中長距離傳輸時，傳輸光纖通常采用單模光纖，短距離傳輸時，也可以采用多模光纖。在后一種情況下，模間色散會限制傳輸距離或比特率。

長距離寬帶光纖通道可以在某些點(diǎn)包含光纖放大器(集總放大器)，以防止功率水平下降到太低的水平。或者，可以使用分布式放大器，通過傳輸光纖本身實現(xiàn)，通過注入額外的強(qiáng)大泵浦光束(通常來自接收器端)產(chǎn)生拉曼增益。此外，還有色散補(bǔ)償(抵消光纖色散的影響)和信號再生的裝置可能會被雇用。后者意味著不僅恢復(fù)了功率電平，還恢復(fù)了信號質(zhì)量(例如脈沖寬度和定時)。這可以通過純粹的光信號處理來實現(xiàn)，或者通過電子檢測信號、應(yīng)用一些光信號處理并重新發(fā)送信號來實現(xiàn)。

四、接收器

接收器包含某種類型的快速光電探測器(通常是光電二極管)和合適的高速電子設(shè)備，用于放大微弱信號(例如使用跨阻放大器)并提取數(shù)字(或有時是模擬)數(shù)據(jù)。對于高數(shù)據(jù)速率，可以包括用于電子色散補(bǔ)償?shù)碾娐贰?

雪崩光電二極管可用于特別高的靈敏度。接收器的靈敏度受到噪聲的限制，噪聲通常是電子來源的。但請注意，光信號本身伴隨著光噪聲，例如放大器噪聲。這種光學(xué)噪聲引入了任何接收器設(shè)計都無法消除的限制。下面更詳細(xì)地討論噪聲影響。

五、雙向傳輸

所謂的全雙工鏈路提供兩個方向的數(shù)據(jù)連接。這些可以簡單地基于單獨(dú)的光纖，或者使用單根光纖。后者可以例如通過在每一端使用光纖分束器來連接發(fā)射器和接收器來實現(xiàn)，發(fā)射器和接收器可以優(yōu)選地在不同波長下工作。然而，雙向操作的需要引入了各種權(quán)衡，這在某些情況下使得具有兩個獨(dú)立光纖的系統(tǒng)更可取。

六、多路復(fù)用

用于長距離傳輸?shù)牡湫蛦瓮ǖ老到y(tǒng)具有例如2.5、10Gbit/s、40Gbit/s甚至160Gbit/s的傳輸容量。為了獲得更高的數(shù)據(jù)速率，可以復(fù)用多個數(shù)據(jù)通道，通過光纖傳輸，然后再次分離以進(jìn)行檢測。

zui常見的技術(shù)是波分復(fù)用。這里，不同的中心波長被分配給不同的數(shù)據(jù)通道。甚至可以以這種方式組合數(shù)百個通道(DWDM =密集 WDM)，但通常首 選具有適度數(shù)量通道的粗 WDM，以保持系統(tǒng)更簡單。主要挑戰(zhàn)是通過非線性抑制通道串?dāng)_、平衡通道功率以及簡化系統(tǒng)。

另一種方法是時分復(fù)用，其中多個輸入通道通過在時域中嵌套進(jìn)行組合，并且通常使用孤子來確保發(fā)送的超短脈沖即使在很小的脈沖間間隔下也能保持干凈的分離。

zui后，可以采用各種形式的空分復(fù)用。例如，可以使用多芯光纖或少模光纖。對于短距離，例如數(shù)據(jù)中心內(nèi)的連接，使用具有多根光纖的帶狀光纜可能會更簡單。然而，該方法的缺點(diǎn)是電纜變得更笨重。

七、有源光纜

對于短傳輸距離，可以使用所謂的有源光纜，其中發(fā)射器和接收器牢固地連接到光纖電纜的末端。提供以太網(wǎng)、USB或HDMI等常用電接口，因此這種有源光纜的使用本質(zhì)上與電纜相同，同時具有直徑減小、重量減輕、傳輸距離更大等優(yōu)點(diǎn)。

八、光纖到戶

甚至可以使用光鏈路向單個家庭和辦公室提供“zui后一英里”的數(shù)據(jù)。該技術(shù)稱為光纖到戶(FTTH)。然而，在許多情況下，zui后一英里仍然通過銅纜橋接，光纖傳輸僅發(fā)生在靠近用戶的一些小站。

九、噪聲和串?dāng)_造成的限制

zui終，任何系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力都受到噪聲的限制。在放大光學(xué)系統(tǒng)中，量子噪聲是不可避免的。它可以以不同的形式影響系統(tǒng)性能，例如定時抖動或影響光電探測的強(qiáng)度噪聲。

除了噪聲之外，某些系統(tǒng)信號失真也會限制傳輸距離或誤碼率。特別是，傳輸光纖的色散和非線性會導(dǎo)致嚴(yán)重的信號失真。如下圖顯示了所謂的眼圖。在這里，“眼睛”睜得很大，因此信號仍然可以被很好地檢測到。對于兩倍的光纖長度，情況會有所不同。

光纖后電信信號的眼圖

請注意，發(fā)射器對信號檢測問題也有重要影響。例如，簡單的直接調(diào)制發(fā)射機(jī)可能會產(chǎn)生一些不需要的頻率啁啾，這增加了傳輸光纖中色散的影響，從而使得在一定傳播距離后接收干凈的信號變得更加困難。

一個相關(guān)的甚至更復(fù)雜的主題是不同通道(例如 WDM 系統(tǒng))之間的串?dāng)_。在通道間隔恒定的系統(tǒng)中，通道還可以相互影響，即一個通道被放大，而犧牲另一個通道的功率。這些效應(yīng)的影響很大程度上取決于系統(tǒng)架構(gòu)，包括發(fā)射機(jī)類型、調(diào)制格式、光纖參數(shù)、檢測技術(shù)等。這些效應(yīng)的建模以及隨后的通信系統(tǒng)優(yōu)化是復(fù)雜的任務(wù)。

噪聲和相關(guān)影響總是會導(dǎo)致一定的誤碼率，即傳輸比特的某些部分將無法被正確檢測到。如果誤碼率處于足夠低的水平，則可以使用某些技術(shù)檢測到偶然的誤碼并進(jìn)行糾正(例如，通過重新發(fā)送有缺陷的數(shù)據(jù)包)。為了增加傳輸距離和/或數(shù)據(jù)速率，誤碼率zui終設(shè)置了一些限制。在這種情況下，帶寬-距離乘積通常用于比較不同的光纖鏈路。

十、用于定時分配和定時同步的光纖鏈路

雖然大多數(shù)光纖鏈路用于傳輸數(shù)據(jù)，但也有類似的系統(tǒng)用于分配超精 確定時信號。即使采用非常簡單的技術(shù)，鎖模激光器的超精 確脈沖間間距也能在數(shù)十公里的鏈路長度上得到很好的保留。先進(jìn)技術(shù)還可以在很大程度上抑制不同群延遲的影響，例如由于光纖溫度變化而導(dǎo)致的影響。例如，通過這種鏈接以非常高的精度同步激光振蕩器已經(jīng)成為可能。