[科普中国]-强度调制直接检测

自20世纪70年代以来，光纤通信开始进入实用化阶段，各种各样的光纤通信系统如雨后春笋在世界各地先后建立起来，逐渐成为电信传送网的主要传输手段。光纤通信的各种新技术、新系统发展更快，于是在全球的信息高速公路建设热潮中担负着重要角色最常用的方式是强度调制一直接检测(IM—DD)光纤通信系统。强度调制直接检测（IM-DD光纤通信系统是数字光线通信系统最常用的一种方式，基本结构包括PCM端机、输入接口、光发送机、光纤线路、光中继器、光接收机、输出接口等。

IM-DD（强度调制直接检测）的光传输系统在成本、可靠性等方面具有显著优势，在传统高速、长距离的光通信系统中已被大量采用。 随着高速城域、接入光传输需求的持续增长，基于IM-DD 的光通信技术在城域、接入等领域的应用潜力更加明显。

IM—DD系统是发送端用信号调制光载波的强度，接收端用检测器直接检测光信号的光纤通信系统，其具体实施有两种方式——外调制和内调制。

内调制适合于半导体光源(LD、LED)，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源器件，经电光转换，获得相应的光信号输出，输出光波幅值与调制信号成比例及线性关系。按调制信号的形式，内调制又可分为模拟调制和数字调制，模拟的是直接用连续的模拟信号(如语音或视频信号)对光源进行调制；数字的是指PCM编码调制，先将连续变化的模拟信号通过抽样、量化和编码转换成一组二进制脉冲代码来表示信号，实现调制。由此可见，内调制方式本质上是电领域的调制方式，系统受到电调制速率的限制。

当光纤通信向大容量高速率方向发展时，内调制难以满足要求，不得不采用外调制。外调制是在光源外对光源发出的光载波进行调制，即利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光波进行调制。具体实施方法是：在激光器输出的光路上放置光调制器，并对调制器施以调制电压，使经过调制器的光载波得到调制。对于光调制器可采用铌酸锂调制器、电吸收调制器或Ⅲ一V族干涉型调制器，由于外调制是对光载波迸行调制，不但可对光强度，还可对相位、偏振和波长进行调制，一般用于高速、大容量的光孤子系统或相干系统中1。

直接检测是相对于外差接收检测而言，它是指不经过任何变换用检测器直接检测光信号并转换成电信号，此信号一般都非常微弱，需要先经放大、再生，如果原始信号是模拟信号，其再生只需要滤波器即可。如是数字信号，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制等电路。

光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。

在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲"0"码和"1"码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。

数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检测的方式，即IM-DD方式。它包括三大部分，即光发送机、光接收机和光纤线路。每一部分都涉及许多的光电器件，所以对链路的设计是一个复杂的工作。

IM-DD光纤通信系统的基本要求有以下几点：

（1）预期的传输距离

（2）信道带宽或码速率

（3）系统性能（误码率，信噪比）

为了达到这些要求，需要对以下一些要素进行考虑：

光纤：需要考虑选用单模还是多模光纤，需要考虑的设计参数有：纤芯尺寸、纤芯折射率分布、光纤的带宽或色散特性、衰耗特性。

光源：可以使用LED或LD，光源器件的参数有发射功率、发射波长、发射频谱宽度、方向图等。

检测器：可以使用PIN组件或APD组件，主要的器件参数有工作波长、响应度、接收灵敏度、响应时间等2。

（1）光发信机

光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

（2）光收信机

光收信机是实现光/电转换的光端机。 它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

（3）光纤或光缆

光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

（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：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行整形。

（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。