《光纤通信与空间光通信技术》

上篇 光纤通信技术

第1章 引言3

1.1 光纤通信系统的优点3

1.2 光纤通信系统的基本组成5

第2章 光源与光发射机8

2.1 激光的发光原理8

2.1.1 原子的能级结构8

2.1.2 光与物质的相互作用9

2.1.3 半导体材料的能带结构10

2.1.4 pn结的能带11

2.2 ld的工作特性13

2.2.1 功率-电流特性13

2.2.2 转换效率14

2.2.3 温度特性15

2.2.4 光谱特性15

2.2.5 方向性17

2.2.6 暂态特性17

2.3 发光二极管的结构和特性19

2.3.1 发光二极管的结构19

.2.3.2 发光二极管的工作特性20

2.4 光源的内调制21

2.4.1 led的模拟调制21

2.4.2 led的数字调制22

2.4.3 ld的模拟调制23

2.4.4 ld的数字调制23

2.5 光源的外调制24

2.5.1 电光强度调制24

2.5.2 光波导调制26

2.6 脉冲编码28

2.6.1 曼彻斯特编码28

2.6.2 cmi码29

2.6.3 mbnb码29

第3章 光电探测器与光接收机31

3.1 光电探测器31

3.1.1 pin光电二极管32

3.1.2 雪崩光电二极管34

3.2 光接收机36

3.2.1 光接收机的结构37

3.2.2 光接收机的噪声40

3.2.3 光接收机的信噪比41

3.2.4 光接收机的误码率42

3.2.5 光接收机的灵敏度44

第4章 光纤46

4.1 光纤概述46

4.2 光纤的传输原理49

4.2.1 几何光学法49

4.2.2 波动光学法52

4.3 光纤的损耗特性56

4.3.1 紫外吸收57

4.3.2 红外吸收57

4.3.3 散射损耗57

4.3.4 金属元素吸收58

4.3.5 氢氧根吸收58

4.3.6 辐射损耗59

4.4 光纤的色散与带宽59

4.4.1 模式色散61

4.4.2 材料色散62

4.4.3 波导色散63

4.4.4 偏振色散63

4.5 光纤的非线性效应64

4.5.1 非线性折射率65

4.5.2 非线性受激散射66

第5章 光无源器件和光放大器68

5.1 光纤连接器68

5.1.1 光纤固定连接方式69

5.1.2 光纤活动连接方式70

5.2 光开关72

5.2.1 机械式光开关73

5.2.2 电光开关74

5.2.3 液晶光开关74

5.2.4 磁光开关75

5.2.5 热光开关76

5.2.6 微机电光开关77

5.3 光耦合器79

5.3.1 光耦合器的特征参数79

5.3.2 光耦合器的拓扑结构80

5.4 光隔离器81

5.5 光衰减器82

5.6 光放大器83

5.6.1 稀土掺杂光纤放大器84

5.6.2 拉曼光纤放大器86

5.6.3 半导体光放大器88

第6章 光纤通信系统与光网络90

6.1 光纤损耗和色散对系统性能的影响90

6.1.1 损耗限制系统90

6.1.2 色散限制系统91

6.2 光纤通信系统的功率预算和上升时间预算92

6.3 光数字传输网93

6.4 数字光纤通信系统的性能指标95

6.4.1 误码性能95

6.4.2 抖动性能97

6.5 波分复用技术97

6.5.1 wdm基本原理98

6.5.2 wdm系统的核心技术98

6.6 光时分复用技术100

6.7 接入网技术100

下篇 空间光通信技术

第7章 引言105

7.1 概述105

7.2 空间光通信技术的应用和发展现状106

7.2.1 星际空间通信应用106

7.2.2 地面商用通信应用107

7.2.3 军事通信应用109

7.3 关键技术111

7.3.1 精密、可靠的光束控制技术111

7.3.2 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术112

7.3.3 快速、精确的apt技术112

7.3.4 大气信道的研究112

7.3.5 调制和编、解码方式研究112

7.4 发展趋势113

第8章 空间光通信系统的功率预算114

8.1 简化的功率预算公式114

8.2 星际空间光通信系统的功率预算114

8.2.1 高斯光束115

8.2.2 光束抖动115

8.2.3 功率预算116

8.3 地面水平空间光通信系统的功率预算118

8.3.1 大气衰减119

8.3.2 大气湍流124

8.3.3 湍流大气中的光强闪烁126

8.3.4 湍流大气中的光束漂移127

8.3.5 湍流大气中的光束扩展128

8.3.6 功率预算129

8.4 斜程空间光通信系统的功率预算133

8.5 空间光通信系统的信噪比与误码率136

8.5.1 信噪比137

8.5.2 误码率139

第9章 空间光通信系统方案设计143

9.1 光源143

9.1.1 半导体激光器143

9.1.2 主振功放145

9.1.3 光纤激光器146

9.1.4 nd:yag激光器147

9.2 探测器147

9.3 光学天线149

9.3.1 离轴式牛顿望远系统149

9.3.2 卡塞格林望远系统150

9.3.3 离轴式格里高利望远系统150

9.3.4 附加透镜式卡塞格林望远系统150

9.3.5 附加施密特校正板式卡塞格林望远系统151

9.3.6 马克斯托夫-卡塞格林望远系统151

9.4 apt系统152

9.4.1 捕获系统153

9.4.2 跟踪系统155

9.5 光信号调制原理与技术159

9.5.1 开关键控调制160

9.5.2 脉冲位置调制160

9.5.3 数字脉冲间隔调制161

9.5.4 几种调制方式的性能比较162

第10章 地面水平空间光通信系统样机设计164

10.1 主要技术指标与器件164

10.2 系统的结构165

10.3 激光器驱动电路167

10.3.1 直接光强度调制167

10.3.2 激光器驱动电路设计168

10.3.3 驱动电路外围电路设计及取值169

10.3.4 电路设计中需要注意的若干问题170

10.3.5 实验测试结果及分析171

10.4 光接收电路172

10.4.1 前置放大器173

10.4.2 限幅放大器174

10.4.3 接收电路设计176

10.4.4 电路设计中需要注意的若干问题176

10.4.5 实验测试177

10.5 以太网接口模块178

10.5.1 媒体转换器ip113的内部结构178

10.5.2 ip113外围电路设计180

10.5.3 实验测试182

10.6 光学天线183

10.6.1 光学天线的结构183

10.6.2 天线效率以及准直发散角的实验测试184

10.7 空间光通信链路功率预算185

10.8 空间光通信系统测试185

10.8.1 基于视频处理的空间光通信186

10.8.2 基于以太网传输的空间光通信187

第11章 空间光通信的保密性能190

11.1 概述190

11.2 空间光通信信号被截获的可能性190

11.2.1 在信道外截获散射光信号的理论模型190

11.2.2 散射区域的限制条件194

11.2.3 计算实例196

第12章 空间光通信系统中脉冲展宽问题的研究199

12.1 概述199

12.2 大气色散199

12.2.1 大气色散对单纵模激光器产生的光脉冲的影响200

12.2.2 大气色散对多纵模激光器产生的光脉冲的影响202

12.3 大气扰动的影响205

12.4 光学系统的影响206

12.5 采用低精度大口径非成像光学元件的研究209

12.5.1 采用大口径光学接收天线的原因209

12.5.2 几种典型非成像光学元件的仿真计算210

参考文献216