《光纤通信(第四版)》

第1章 光纤通信概述1

1.1 光通信的发展动力2

1.1.1 光网络的发展历程2

1.1.2 光纤的优点3

1.2 光频谱带4

1.2.1 电磁能量4

1.2.2 工作窗口和光频带5

1.3 分贝单位6

1.4 网络信息速率8

1.4.1 电信信号复用8

1.4.2 sonet/ sdh 复用体系10

1.5 波分复用概念10

1.6 光纤通信系统的关键组件10

1.7 光纤通信标准13

1.8 仿真与建模工具14

1.8.1 仿真工具的特征14

1.8.2 图形编程语言14

1.8.3 学生使用的程序举例15

第2章 光纤:结构、导波原理和制造19

.2.1 光的性质19

2.1.1 线偏振20

2.1.2 椭圆偏振和圆偏振22

2.1.3 光的量子特性23

2.2 基本的光学定律和定义24

2.2.1 折射率24

2.2.2 反射和折射24

2.2.3 光的偏振分量26

2.2.4 偏振敏感材料27

2.3 光纤模式和结构28

2.3.1 光纤分类28

2.3.2 光射线和模式30

2.3.3 阶跃折射率光纤结构31

2.3.4 射线光学描述31

2.3.5 介质平板波导中的波动描述33

2.4 圆波导的模式理论34

2.4.1 模式概述35

2.4.2 关键的模式概念的归纳36

2.4.3 麦克斯韦方程组38

2.4.4 波导方程式39

2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动方程40

2.4.6 模式方程41

2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式42

2.4.8 线偏振模45

2.4.9 阶跃折射率光纤中的光功率流48

2.5 单模光纤49

2.5.1 结构49

2.5.2 模场直径49

2.5.3 单模光纤中的传播模50

2.6 梯度折射率光纤的结构51

2.7 光纤材料53

2.7.1 玻璃光纤53

2.7.2 有源玻璃光纤54

2.7.3 塑料光纤54

2.8 光子晶体光纤54

2.8.1 折射率导引pcf55

2.8.2 光子带隙pcf56

2.9 光纤制造56

2.9.1 外部汽相氧化法57

2.9.2 汽相轴向沉积法58

2.9.3 改进的化学汽相沉积法58

2.9.4 等离子体激活化学汽相沉积法59

2.9.5 光子晶体光纤制造59

2.10 光纤的机械性能59

2.11 光缆63

2.11.1 光缆结构63

2.11.2 室内光缆65

2.11.3 室外光缆65

2.12 光缆铺设方法66

2.12.1 直埋式铺设66

2.12.2 光缆牵入管道68

2.12.3 光缆气吹铺设68

2.12.4 架空铺设69

2.12.5 海底铺设69

2.12.6 行业铺设标准70

第3章 衰减和色散79

3.1 衰减79

3.1.1 衰减单位79

3.1.2 吸收损耗80

3.1.3 散射损耗84

3.1.4 弯曲损耗85

3.1.5 芯包损耗87

3.2 光纤中的信号畸变88

3.2.1 色散概述88

3.2.2 模式时延90

3.2.3 色散起因91

3.2.4 群时延92

3.2.5 材料色散93

3.2.6 波导色散95

3.2.7 单模光纤中的色散95

3.2.8 偏振模色散97

3.3 单模光纤性能98

3.3.1 折射率分布98

3.3.2 截止波长100

3.3.3 色散计算101

3.3.4 模场直径103

3.3.5 弯曲损耗104

3.4 国际标准105

3.4.1 g.651.1建议106

3.4.2 g.652建议106

3.4.3 g.653建议107

3.4.4 g.654建议108

3.4.5 g.655建议108

3.4.6 g.656建议108

3.4.7 g.657建议108

3.5 特种光纤108

第4章 光源116

4.1 半导体物理学基础116

4.1.1 能带117

4.1.2 本征材料和非本征材料119

4.1.3 pn结120

4.1.4 直接带隙和间接带隙121

4.1.5 半导体器件的制造121

4.2 发光二极管(led)122

4.2.1 led的结构122

4.2.2 光源材料124

4.2.3 量子效率和led的功率127

4.2.4 led 的调制130

4.3 半导体激光器131

4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件132

4.3.2 半导体激光器的速率方程137

4.3.3 外量子效率138

4.3.4 谐振频率139

4.3.5 半导体激光器结构和辐射场型分布140

4.3.6 单模激光器144

4.3.7 半导体激光器的调制146

4.3.8 激光器线宽147

4.3.9 外调制148

4.3.10 温度特性149

4.4 线路编码151

4.4.1 nrz和rz码151

4.4.2 分组码152

4.5 光源的线性特性152

4.6 可靠性考虑154

4.7 发射机封装157

第5章 光功率发射和耦合165

5.1 光源至光纤的功率发射165

5.1.1 光源的输出分布165

5.1.2 功率耦合计算166

5.1.3 发射功率与波长的关系169

5.1.4 稳态数值孔径170

5.2 改善耦合的透镜结构170

5.2.1 非成像微球171

5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合173

5.3 光纤与光纤的连接173

5.3.1 机械对准误差175

5.3.2 光纤相关损耗179

5.3.3 光纤端面制备180

5.4 led 与单模光纤的耦合181

5.5 光纤接头182

5.5.1 连接方法183

5.5.2 单模光纤的连接184

5.6 光纤连接器184

5.6.1 连接器的类型185

5.6.2 单模光纤连接器188

5.6.3 连接器回波衰减188

第6章 光检测器196

6.1 光电二极管的物理原理196

6.1.1 pin光电二极管196

6.1.2 雪崩光电二极管200

6.2 光检测器噪声202

6.2.1 噪声源203

6.2.2 信噪比205

6.2.3 噪声等效功率206

6.3 检测器响应时间207

6.3.1 耗尽层光电流207

6.3.2 响应时间208

6.3.3 双异质结光电二极管210

6.4 雪崩倍增噪声210

6.5 ingaas apd结构212

6.6 温度对雪崩增益的影响213

6.7 光检测器比较214

第7章 光接收机219

7.1 接收机工作的基本原理219

7.1.1 数字信号传输220

7.1.2 误码源221

7.1.3 前置放大器223

7.2 数字接收机性能224

7.2.1 误码率224

7.2.2 接收机灵敏度228

7.2.3 量子极限229

7.3 眼图230

7.3.1 眼图的特征230

7.3.2 ber和q因子测量232

7.4 突发模式接收机233

7.5 模拟接收机235

第8章 数字链路241

8.1 点到点链路241

8.1.1 系统考虑242

8.1.2 链路功率预算243

8.1.3 展宽时间预算246

8.1.4 短波长带249

8.1.5 单模光纤链路的衰减限制距离250

8.2 功率代价251

8.2.1 色度色散代价251

8.2.2 偏振模色散代价253

8.2.3 消光比代价253

8.2.4 模式噪声254

8.2.5 模分配噪声256

8.2.6 啁啾257

8.2.7 反射噪声258

8.3 差错控制260

8.3.1 误码检测概念260

8.3.2 线性检错码261

8.3.3 多项式码261

8.3.4 前向纠错263

8.4 相干检测264

8.4.1 基本概念264

8.4.2 零差检测266

8.4.3 外差检测266

8.4.4 误码率比较266

8.5 差分4 相移键控(dqpsk)270

第9章 模拟链路278

9.1 模拟链路概述278

9.2 载噪比279

9.2.1 载波功率280

9.2.2 光检测器和前置放大器的噪声280

9.2.3 相对强度噪声(rin)281

9.2.4 反射对rin 的影响282

9.2.5 极限条件283

9.3 多信道传输技术284

9.3.1 多信道幅度调制284

9.3.2 多信道频率调制287

9.3.3 副载波复用289

9.4 光载射频(rof)289

9.4.1 关键链路参数290

9.4.2 无杂散动态范围291

9.5 光纤链路射频292

9.5.1 rof 网络天线基站293

9.5.2 多模光纤链路射频293

9.6 微波光子学294

第10章 wdm 概念和光器件300

10.1 wdm 概述300

10.1.1 wdm 的工作原理301

10.1.2 wdm 标准302

10.2 无源光耦合器303

10.2.1 2 * 2 光纤耦合器304

10.2.2 散射矩阵表示法307

10.2.3 2 * 2 波导耦合器309

10.2.4 星形耦合器311

10.2.5 马赫曾德尔干涉复用器313

10.3 隔离器和环形器316

10.3.1 光隔离器316

10.3.2 光环形器317

10.4 光纤光栅滤波器318

10.4.1 光栅基础318

10.4.2 光纤布拉格光栅318

10.4.3 fbg 的应用320

10.5 介质薄膜滤波器321

10.5.1 标准具理论322

10.5.2 tff 的应用323

10.6 基于相位阵列的wdm 器件324

10.7 衍射光栅327

10.8 有源光器件328

10.8.1 mems 技术328

10.8.2 可变光衰减器329

10.8.3 可调谐光滤波器330

10.8.4 动态增益均衡器331

10.8.5 光分插复用器332

10.8.6 偏振控制器332

10.8.7 色度色散补偿器332

10.9 可调谐光源333

第11章 光放大器342

11.1 光放大器的基本应用和分类342

11.1.1 一般应用342

11.1.2 放大器的类型343

11.2 半导体光放大器345

11.2.1 外部泵浦345

11.2.2 放大器增益346

11.2.3 soa 的带宽348

11.3 掺铒光纤放大器349

11.3.1 放大机理349

11.3.2 edfa 的结构351

11.3.3 edfa 的功率转换效率及增益352

11.4 放大器噪声355

11.5 光信噪比358

11.6 系统应用359

11.6.1 功率放大器359

11.6.2 在线放大器360

11.6.3 前置放大器361

11.6.4 多信道放大362

11.6.5 在线放大器增益控制362

11.7 拉曼放大器364

11.8 宽带光放大器366

第12章 非线性效应374

12.1 非线性效应概述374

12.2 有效长度与有效面积375

12.3 受激拉曼散射376

12.4 受激布里渊散射377

12.5 自相位调制379

12.6 交叉相位调制380

12.7 四波混频380

12.8 减小四波混频382

12.9 波长变换383

12.9.1 光门波长转换器383

12.9.2 波混频波长变换器384

12.10 孤子384

12.10.1 孤子脉冲385

12.10.2 孤子参数387

12.10.3 孤子宽度和间隔388

第13章 光网络393

13.1 网络概念393

13.1.1 网络术语394

13.1.2 网络分类394

13.1.3 网络层次396

13.1.4 光层397

13.2 网络拓扑398

13.2.1 无源线形总线的性能399

13.2.2 星形结构的性能403

13.3 sonet/ sdh404

13.3.1 传输格式和速率404

13.3.2 光接口405

13.3.3 sonet/ sdh 环407

13.3.4 sonet/ sdh 网络409

13.4 高速光链路411

13.4.1 10 gbps 光链路411

13.4.2 40 gbps 光链路413

13.4.3 40 吉比特和100 吉比特以太网标准413

13.4.4 160 gbps otdm 链路413

13.5 光分插复用器415

13.5.1 oadm 的结构415

13.5.2 可重构oadm416

13.6 光交换420

13.6.1 光交叉连接420

13.6.2 波长变换421

13.6.3 波长路由424

13.6.4 光分组交换424

13.6.5 光突发交换425

13.7 wdm 网络实例426

13.7.1 宽带长途wdm 网络426

13.7.2 窄带城域wdm 网络428

13.8 无源光网络429

13.8.1 基本的pon 架构429

13.8.2 有源pon 模块430

13.8.3 业务流量432

13.8.4 gpon 特性433

13.8.5 wdm pon 架构435

13.9 dwdm 直接承载ip435

13.10 光以太网436

13.10.1 基本的光以太网方案437

13.10.2 epon/ ge鄄pon 架构438

13.10.3 城域光以太网438

13.11 降低传输损伤439

13.11.1 色度色散补偿光纤439

13.11.2 布拉格光栅色散补偿器440

13.11.3 偏振模色散补偿441

13.11.4 光放大器增益瞬变442

第14章 性能测量与监控453

14.1 测量标准454

14.2 基本测试设备455

14.2.1 测试用光源456

14.2.2 光谱分析仪456

14.2.3 多功能光测试仪457

14.2.4 光衰减器457

14.2.5 光传送网(otn)测试仪457

14.2.6 可视故障指示仪458

14.3 光功率测量458

14.3.1 光功率的定义458

14.3.2 光功率计459

14.4 光纤特性参数459

14.4.1 折射近场法459

14.4.2 传输近场法460

14.4.3 损耗测量460

14.4.4 色散测量462

14.5 眼图467

14.5.1 模板测试468

14.5.2 压缩眼图468

14.5.3 眼图轮廓469

14.6 光时域反射仪(otdr)469

14.6.1 otdr 轨迹470

14.6.2 损耗测量471

14.6.3 otdr 盲区472

14.6.4 光纤故障定位472

14.6.5 光回波衰减473

14.7 光性能监测473

14.7.1 管理构架和功能474

14.7.2 光层管理475

14.7.3 opm 功能476

14.7.4 网络维护477

14.7.5 故障管理478

14.7.6 osnr 监视478

14.8 光纤系统性能测量479

14.8.1 误码率测试479

14.8.2 光信噪比评估481

14.8.3 q 因子评估482

14.8.4 光调制幅度(oma)测量483

14.8.5 定时抖动测量484

附录a 国际单位制490

附录b 常用数学关系式491

附录c 贝塞尔函数494

附录d 分贝497

附录e 缩写498

附录f 拉丁文符号501

附录g 希腊文符号503