光纤通信(第四版)

第1章 概述 1 1.1 光通信的基本概念 1 1.1.1 光波在电磁频谱中的位置 1 1.1.2 激光器产生理想的光波 2 1.1.3 自由空间光通信(FSO) 3 1.1.4 光纤是理想的光波传输介质 4 1.2 光纤通信的优点 4 1.3 光纤通信的系统组成 6 1.4 光纤通信的回顾与展望 7 1.4.1 长波长激光器 8 1.4.2 单模光纤（SMF） 8 1.4.3 SDH传输体制 8 1.4.4 光纤放大器 10 1.4.5 WDM技术 10 1.4.6 全光网络 12 1.5 光波技术基础 13 1.5.1 光的波粒二象性 13 1.5.2 光与物质的相互作用 15 1.5.3 电介质的极化 16 1.5.4 光波的传播特性 17 习题一 19 第2章 光纤 20 2.1 光纤与光缆 20 2.1.1 光纤的结构 20 2.1.2 光纤的主要成分 21 2.1.3 光纤的制造工艺简介 21 2.1.4 光缆的技术要求 22 2.1.5 光缆的结构 23 2.1.6 常用光缆的典型结构 23 2.2 光纤端面的折射率分布 25 2.3 光在光纤中的几何传输 26 2.3.1 反射和折射 26 2.3.2 全反射定律 26 2.4 光纤的数值孔径(NA) 27 2.5 光的波动性 28 2.6 光纤介质的特性 29 2.7 光纤模式 30 2.7.1 模式的概念 30 2.7.2 模式数目 33 2.7.3 单模截止条件 34 2.7.4 偏振模 34 2.8 多模光纤的模式色散 34 2.8.1 模间时延差 34 2.8.2 模间色散的减少 35 2.8.3 多模光纤的*大比特率 35 2.9 单模光纤的波长色散或色度色散 36 2.9.1 相速 36 2.9.2 群速 36 2.9.3 材料色散 37 2.9.4 波导色散 37 2.9.5 色散补偿 37 2.10 光纤损耗与可用频带 38 2.10.1 损耗系数 38 2.10.2 可用频带 39 2.11 单模光纤的模场直径与折射率剖面 39 2.11.1 模场直径 39 2.11.2 折射率剖面 40 2.12 光纤的非线性效应 42 2.12.1 自相位调制（SPM） 42 2.12.2 四波混频（FWM） 43 2.12.3 受激布里渊散射（SBS） 43 2.12.4 受激拉曼散射（SRS） 44 2.12.5 光孤子的定性描述 44 2.13 多芯少模光纤44 习题二 45 第3章 光源与光检测器 47 3.1 半导体激光器（LD）的工作原理 48 3.1.1 光放大 48 3.1.2 F-P腔半导体激光器 51 3.2 LD的输出光功率 51 3.2.1 阈值特性 51 3.2.2 注入电流(I)与光功率(P) 响应特性 52 3.3 LD的输出光谱 53 3.3.1 多纵模LD 53 3.3.2 单纵模LD 54 3.4 LD的调制响应 54 3.5 LD的温度特性与自动温度 控制（ATC） 56 3.6 LD的输出光功率稳定性与自动 功率控制（APC） 57 3.7 DFB和DBR激光器 58 3.8 调谐LD 60 3.8.1 外腔调谐LD 60 3.8.2 双电极LD 60 3.9 其他类型的LD 61 3.9.1 垂直腔面发光激光器（VCSELs） 61 3.9.2 锁模激光器 61 3.9.3 量子阱（QW）LD 63 3.9.4 多波长LD阵列 63 3.10 LD组件 63 3.11 半导体LED 64 3.11.1 LED的结构 64 3.11.2 LED的特性 66 3.12 光源与光纤的耦合 68 3.13 光检测器 70 3.13.1 波长响应 70 3.13.2 光电转换效率与响应度 71 3.13.3 响应速度 72 3.13.4 噪声 72 3.14 PIN 73 3.15 APD 74 3.15.1 APD的结构 74 3.15.2 雪崩增益 75 习题三 76 第4章 无源光器件 77 4.1 光纤连接器 77 4.1.1 光纤连接损耗 77 4.1.2 光纤连接方法 78 4.1.3 常用的几种连接器 80 4.2 光纤耦合器 81 4.3 光开关 83 4.3.1 光开关的性能参数 83 4.3.2 主要的几种光开关 84 4.4 光纤光栅 85 4.4.1 光纤光栅的结构 86 4.4.2 光纤布拉格光栅(FBG) 86 4.4.3 长周期光纤光栅(LFG) 86 4.5 光滤波器 87 4.5.1 F-P腔型滤波器 87 4.5.2 M-Z干涉滤波器 88 4.5.3 阵列波导光栅(AWG) 89 4.5.4 声光可调谐滤波器(AOTF) 91 4.5.5 光纤光栅滤波器 92 4.6 WDM合波/分波器 93 4.6.1 多层介质膜(MDTFF)型 93 4.6.2 熔锥型 94 4.6.3 光纤光栅型 94 4.7 光隔离器与光环形器 95 4.8 光锁相环与光纤非线性环镜（NLOM） 96 习题四 97 第5章 光放大器 98 5.1 引言 98 5.2 掺铒光纤放大器（EDFA） 99 5.2.1 EDFA的放大原理 99 5.2.2 EDFA的组成结构 100 5.2.3 EDFA的增益与带宽 101 5.2.4 EDFA的噪声类型 102 5.3 受激拉曼光纤放大器（SRA） 103 5.3.1 SRA的放大原理 103 5.3.2 SRA的性能与应用 104 5.4 受激布里渊光纤放大器（SBA） 105 5.4.1 SBA的放大原理 105 5.4.2 SBA的性能与应用 105 5.5 其他光纤放大器 106 5.6 半导体光放大器（SOA） 107 5.6.1 SOA的放大原理 107 5.6.2 SOA的性能与应用 108 5.7 光放大器的应用 109 5.8 光纤激光器 110 5.8.1 掺铒光纤激光器 110 5.8.2 光纤光栅激光器 111 5.8.3 光纤受激拉曼和受激布里渊 激光器 111 5.9 光波长变换器 112 5.9.1 半导体光放大器(SOA)中的交叉 增益调制(XGM)技术 112 5.9.2 半导体光放大器中的交叉相位 调制（XPM）技术 113 5.9.3 半导体光放大器中的四波混频 (FWM)技术 113 习题五 114 第6章 光发送机与光接收机 115 6.1 调制信号的格式 115 6.1.1 单极性与双极性 115 6.1.2 归零(RZ)与不归零(NRZ) 116 6.1.3 扰码 117 6.1.4 分组码（4B5B、 8B10B） 117 6.2 直接强度调制（IM）光发送机 117 6.2.1 模拟调制与数字调制 117 6.2.2 光源的驱动电路 118 6.3 外调制器 121 6.3.1 电折射调制器 121 6.3.2 M-Z型调制器 121 6.3.3 声光布拉格调制器 122 6.3.4 电吸收MQW调制器 122 6.3.5 ASK/PSK/FSK方式 123 6.4 光接收机 124 6.4.1 理想的数字光接收机 124 6.4.2 实际的数字光接收机 124 6.4.3 前置放大器噪声 126 6.4.4 APD噪声 126 6.4.5 光放大器噪声 126 6.4.6 误码率 127 6.5 相干接收 131 习题六 134 第7章 光纤通信系统及设计 136 7.1 模拟光纤传输系统概述 136 7.1.1 系统构成 136 7.1.2 模拟调制技术 136 7.1.3 主要的噪声和信噪比 137 7.2 典型的模拟光纤通信系统 137 7.2.1 基带光纤传输 137 7.2.2 多信道光纤传输 138 7.2.3 微波副载波（SCM）光纤传输 142 7.2.4 射频光纤传输（ROF）142 7.3 PCM数字光纤通信系统 143 7.3.1 系统构成 144 7.3.2 PDH光纤通信系统 146 7.3.3 误码特性和抖动特性 148 7.4 IM-DD数字光纤通信系统设计 151 7.4.1 总体设计考虑 151 7.4.2 设计方法 153 7.5 WDM+EDFA数字光纤链路设计 158 7.5.1 总体设计考虑 158 7.5.2 波长分配与通道间隔 161 7.5.3 WDM系统设计与性能 162 习题七 165 第8章 SDH与WDM光网络 167 8.1 SDH光同步传送网 167 8.1.1 SDH的标准光接口 167 8.1.2 SDH的速率体系 172 8.1.3 SDH的帧结构 173 8.1.4 SDH的复用结构与原理 175 8.1.5 SDH设备 178 8.1.6 SDH的传送网结构与自愈 187 8.1.7 SDH的网管功能 199 8.2 WDM光网络 204 8.2.1 光传送网的分层结构 204 8.2.2 WDM广播选择网 205 8.2.3 WDM波长路由网(WRN) 208 8.2.4 WRN的选路算法 210 8.2.5 WDM的网管 212 8.3 其他类型的光网络 214 8.3.1 光纤以太网 214 8.3.2 无源光网络(PON) 218 8.3.3 HFC混合光纤同轴网 221 8.3.4 光因特网（IP over WDM） 223 习题八 225 第9章 光纤通信常用仪表及测试 227 9.1 引言 227 9.2 光纤特性参数及测量 228 9.2.1 光纤特性参数 228 9.2.2 光纤损耗和色散测试 228 9.2.3 光时域反射仪(OTDR) 234 9.3 光端机性能指标的测试 235 9.3.1 光功率计 235 9.3.2 光端机的测试 236 9.4 光纤通信系统性能测试 243 9.4.1 误码性能及测试 243 9.4.2 抖动性能及测试 243 9.5 误码测试仪与SDH数字传输分析仪 245 9.6 波长计、 光谱分析仪(OSA)及应用 246 9.6.1 波长计 246 9.6.2 光谱分析仪（OSA）及应用 247 9.7 光衰减器及应用 251 9.8 网络分析仪及应用 252 习题九 253 参考文献 255