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第1章 光纤通信概述1

1.1 光通信的发展动因2

1.1.1 光网络的发展历程2

1.1.2 光纤的优势5

1.2 光谱带5

1.2.1 电磁能量5

1.2.2 低损耗窗口和频段8

1.3 分贝单位9

1.4 网络信息速率12

1.4.1 电信信号的复用12

1.4.2 SONET/SDH复用体系13

1.5 波分复用概念15

1.6 光纤通信系统的关键单元15

1.7 光纤通信标准19

1.8 建模与仿真工具20

1.8.1 仿真工具的特征20

1.8.2 编程语言21

1.8.3 适于学生使用的程序举例23

习题23

参考文献24

第2章 光纤：结构、导波原理及制造27

2.1 光的特性27

2.1.1 线偏振28

2.1.2 椭圆偏振和圆偏振31

2.1.3 光的量子特性33

2.2 基本的光学定律和定义33

2.2.1 折射率33

2.2.2 反射和衍射34

2.2.3 光偏振器件36

2.2.4 偏振敏感材料38

2.3 光纤模式及结构39

2.3.1 光纤分类40

2.3.2 射线和模式化42

2.3.3 阶跃折射率光纤结构43

2.3.4 射线光学表述43

2.3.5 介质平板波导中的波动表述45

2.4 圆波导的模式理论47

2.4.1 模式概述48

2.4.2 关键的模式概念汇总49

2.4.3 麦克斯韦方程组51

2.4.4 波导方程52

2.4.5 阶跃折射率光纤中的波方程54

2.4.6 模式方程55

2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式57

2.4.8 线偏振模60

2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流63

2.5 单模光纤65

2.5.1 结构65

2.5.2 模场直径65

2.5.3 单模光纤中的传播模67

2.6 渐变折射率光纤结构68

2.7 光纤材料70

2.7.1 玻璃光纤70

2.7.2 有源玻璃光纤71

2.7.3 塑料光纤71

2.8 光子晶体光纤72

2.8.1 折射率导引PCF72

2.8.2 光子带隙光纤73

2.9 光纤的制造74

2.9.1 外部气相氧化法75

2.9.2 气相轴向沉积法75

2.9.3 改进的化学气相沉积法76

2.9.4 等离子催化化学气相沉积法76

2.9.5 光子晶体光纤的制备77

2.10 光纤的机械性能78

2.11 光缆82

2.11.1 光缆结构83

2.11.2 室内光缆设计84

2.11.3 户外光缆86

2.12 光缆铺设方法87

2.12.1 直埋铺设87

2.12.2 管道中的光缆拖曳88

2.12.3 光缆喷射铺设89

2.12.4 陆地铺设90

2.12.5 水下铺设91

2.12.6 行业铺设标准92

习题93

参考文献96

第3章 损耗和色散102

3.1 损耗102

3.1.1 损耗单位103

3.1.2 吸收104

3.1.3 散射损耗108

3.1.4 弯曲损耗111

3.1.5 纤芯和包层损耗113

3.2 光纤中的信号畸变114

3.2.1 色散综述114

3.2.2 模式延迟116

3.2.3 色散因素118

3.2.4 群延迟119

3.2.5 材料色散121

3.2.6 波导色散123

3.2.7 单模光纤的色散124

3.2.8 偏振模色散126

3.3 单模光纤性能128

3.3.1 折射率剖面128

3.3.2 截止波长130

3.3.3 色散计算132

3.3.4 模场直径135

3.3.5 弯曲损耗135

3.4 国际标准138

3.4.1 G.651.1建议138

3.4.2 G.652建议138

3.4.3 G.653建议141

3.4.4 G.654建议141

3.4.5 G.655建议141

3.4.6 G.656建议141

3.4.7 G.657建议142

3.5 特殊光纤142

习题145

参考文献147

第4章 光源151

4.1 半导体物理专题152

4.1.1 能带152

4.1.2 本征材料和非本征材料154

4.1.3 pn结156

4.1.4 直接带隙和间接带隙157

4.1.5 半导体器件制作158

4.2 发光二极管（LED）158

4.2.1 LED的结构158

4.2.2 光源材料161

4.2.3 量子效率和LED发射功率165

4.2.4 LED的调制特性168

4.3 半导体激光器170

4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件171

4.3.2 半导体激光器的速率方程177

4.3.3 外量子效率178

4.3.4 谐振频率179

4.3.5 半导体激光器结构和辐射方向图180

4.3.6 单模激光器185

4.3.7 半导体激光器的调制特性189

4.3.8 激光器线宽190

4.3.9 外调制191

4.3.10 温度影响193

4.4 线路编码195

4.4.1 非归零和归零信号格式195

4.4.2 分组码196

4.5 光源的线性特性196

4.6 可靠性考虑198

4.7 单片封装光发送机202

习题204

参考文献208

第5章 光功率发射和耦合211

5.1 光源至光纤的功率发射212

5.1.1 光源的输出方向图212

5.1.2 功率耦合计算213

5.1.3 发射功率与波长的关系216

5.1.4 稳态数值孔径217

5.2 改善耦合的透镜结构218

5.2.1 非成像微球219

5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合220

5.3 光纤与光纤的连接221

5.3.1 机械对准误差223

5.3.2 光纤相关损耗229

5.3.3 光纤端面制备230

5.4 LED与单模光纤的耦合231

5.5 光纤接头232

5.5.1 连接方法233

5.5.2 单模光纤的连接234

5.6 光纤连接器235

5.6.1 连接器的类型235

5.6.2 单模光纤连接器239

5.6.3 连接器回波衰减240

习题242

参考文献244

第6章 光检测器248

6.1 光电二极管的物理原理249

6.1.1 pin光电二极管249

6.1.2 雪崩光电二极管253

6.2 光检测器噪声257

6.2.1 噪声源257

6.2.2 信噪比261

6.2.3 噪声等效功率262

6.3 检测器响应时间263

6.3.1 耗尽层光电流263

6.3.2 响应时间264

6.3.3 双异质结光电二极管267

6.4 雪崩倍增噪声267

6.5 InGaAs APD结构270

6.6 温度对雪崩增益的影响270

6.7 光检测器比较272

习题273

参考文献275

第7章 光接收机277

7.1 接收机工作的基本原理278

7.1.1 数字信号传输278

7.1.2 误码源280

7.1.3 前端放大器282

7.2 数字接收机性能283

7.2.1 差错概率283

7.2.2 接收机灵敏度287

7.2.3 量子极限290

7.3 眼图291

7.3.1 眼图的特征291

7.3.2 BER和Q因子测量293

7.4 突发模式接收机294

7.5 模拟接收机297

习题300

参考文献302

第8章 数字链路304

8.1 点到点链路305

8.1.1 系统考虑306

8.1.2 链路功率预算307

8.1.3 上升时间预算310

8.1.4 短波长带313

8.1.5 单模光纤的损耗受限距离314

8.2 功率代价316

8.2.1 色度色散代价316

8.2.2 偏振模色散代价318

8.2.3 消光比代价319

8.2.4 模式色散319

8.2.5 模分配噪声322

8.2.6 啁啾323

8.2.7 反射噪声325

8.3 差错控制327

8.3.1 误码检测概念328

8.3.2 线型误码检测码328

8.3.3 多项式码329

8.3.4 前向纠错码331

8.4 相干检测332

8.4.1 基本概念333

8.4.2 零差检测335

8.4.3 外差检测335

8.4.4 BER比较336

8.5 差分四相移键控342

习题343

参考文献345

第9章 模拟链路350

9.1 模拟链路概述351

9.2 载噪比352

9.2.1 载波功率352

9.2.2 光检测器和前置放大器噪声353

9.2.3 相对强度噪声（RIN）354

9.2.4 反射对RIN的影响354

9.2.5 极限条件356

9.3 多信道传输技术357

9.3.1 多信道幅度调制358

9.3.2 多信道频率调制361

9.3.3 副载波复用362

9.4 光载射频（ROF）364

9.4.1 关键链路参数364

9.4.2 无杂散动态范围366

9.5 光载射频链路368

9.5.1 ROF网络天线基站368

9.5.2 多模光纤光载射频链路369

9.6 微波光子学370

习题371

参考文献373

第10章 波分复用概念及器件376

10.1 WDM概述377

10.1.1 WDM的工作原理377

10.1.2 WDM标准379

10.2 无源光耦合器381

10.2.1 2×2光纤耦合器381

10.2.2 散射矩阵表示法385

10.2.3 2×2波导耦合器387

10.2.4 星形耦合器391

10.2.5 马赫-曾德尔干涉复用器393

10.3 隔离器和环行器396

10.3.1 光隔离器396

10.3.2 光环形器398

10.4 光纤光栅滤波器399

10.4.1 光栅基础399

10.4.2 光纤布拉格光栅399

10.4.3 FBG的应用402

10.5 介质薄膜滤波器403

10.5.1 法布里-珀罗标准具理论404

10.5.2 TFF的应用406

10.6 基于相位阵列的WDM器件407

10.7 衍射光栅412

10.8 有源光器件413

10.8.1 MEMS技术413

10.8.2 可变光衰减器414

10.8.3 可调谐光滤波器415

10.8.4 动态增益均衡器416

10.8.5 光分插复用器417

10.8.6 偏振控制器418

10.8.7 色度色散补偿418

10.9 可调谐光源419

习题421

参考文献425

第11章 光放大器429

11.1 光放大器的基本应用和分类429

11.1.1 一般应用430

11.1.2 放大器的类型431

11.2 半导体光放大器433

11.2.1 外部泵浦433

11.2.2 放大器增益435

11.2.3 SOA的带宽436

11.3 掺铒光纤放大器437

11.3.1 放大机制437

11.3.2 EDFA的结构439

11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益441

11.4 放大器噪声445

11.5 光信噪比449

11.6 系统应用450

11.6.1 功率放大器451

11.6.2 在线放大器451

11.6.3 前置放大器453

11.6.4 多信道运用453

11.6.5 在线放大器增益控制455

11.7 拉曼放大器456

11.8 宽带光放大器460

习题461

参考文献464

第12章 非线性效应468

12.1 非线性效应概述469

12.2 有效传输距离与有效面积469

12.3 受激拉曼散射471

12.4 受激布里渊散射473

12.5 自相位调制475

12.6 交叉相位调制476

12.7 四波混频477

12.8 四波混频的改善479

12.9 波长转换器480

12.9.1 光门波长转换器480

12.9.2 波混频波长转换器481

12.10 孤子482

12.10.1 孤子脉冲483

12.10.2 孤子参数485

12.10.3 孤子宽度和间隔487

习题489

参考文献490

第13章 光网络493

13.1 网络概念494

13.1.1 网络术语494

13.1.2 网络分类495

13.1.3 网络层497

13.1.4 光层499

13.2 网络拓扑499

13.2.1 无源线形总线的性能501

13.2.2 星形结构的性能506

13.3 SONET/SDH507

13.3.1 传输格式和速率507

13.3.2 光接口509

13.3.3 SONET/SDH环511

13.3.4 SONET/SDH网络515

13.4 高速光链路516

13.4.1 10Gb/s光链路517

13.4.2 40Gb/s光链路519

13.4.3 40Gb/s和100Gb/s以太网标准519

13.4.4 160Gb/s OTDM链路520

13.5 光分插复用器521

13.5.1 OADM的结构522

13.5.2 可重构OADM523

13.6 光交换528

13.6.1 光交叉连接529

13.6.2 波长变换530

13.6.3 波长路由533

13.6.4 光分组交换534

13.6.5 光突发交换535

13.7 WDM网络实例537

13.7.1 宽带长途WDM网络537

13.7.2 窄带城域WDM网络539

13.8 无源光网络540

13.8.1 基本的PON架构540

13.8.2 有源PON模块542

13.8.3 业务流量544

13.8.4 GPON特性544

13.8.5 WDM PON架构548

13.9 DWDM直接承载IP548

13.10 光以太网550

13.10.1 基本的光以太网方案550

13.10.2 EPON/GE-PON架构552

13.10.3 城域光以太网553

13.11 降低传输损伤553

13.11.1 色度色散补偿光纤554

13.11.2 布拉格光栅色散补偿器555

13.11.3 偏振模色散补偿556

13.11.4 光放大器增益瞬变557

习题558

参考文献563

第14章 性能测量与监控570

14.1 测量标准571

14.2 基本测试设备573

14.2.1 测试用光源574

14.2.2 光谱分析仪575

14.2.3 多功能光测试系统576

14.2.4 光衰减器576

14.2.5 光传送网测试仪576

14.2.6 可视故障指示仪577

14.3 光功率测量577

14.3.1 光功率的定义577

14.3.2 光功率计578

14.4 光纤特性参数578

14.4.1 折射近场法579

14.4.2 传输近场法579

14.4.3 损耗测量579

14.4.4 色散测量582

14.5 眼图588

14.5.1 模板测试589

14.5.2 压缩眼图590

14.5.3 眼图轮廓590

14.6 光时域反射仪（OTDR）591

14.6.1 OTDR轨迹592

14.6.2 损耗测量593

14.6.3 OTDR盲区594

14.6.4 光纤故障定位595

14.6.5 光回波损耗595

14.7 光性能监测596

14.7.1 管理构架和功能597

14.7.2 光层管理598

14.7.3 OPM功能600

14.7.4 网络维护601

14.7.5 故障管理602

14.7.6 OSNR监视603

14.8 光纤系统性能测量603

14.8.1 误码率测试604

14.8.2 光信噪比评估605

14.8.3 Q因子评估607

14.8.4 光调制幅度（OMA）测量609

14.8.5 定时抖动测量610

习题611

参考文献613

附录A 国际单位制617

附录B 常用数学关系式618

附录C 贝塞尔函数622

附录D 分贝625

附录E 缩写术语表627

附录F 拉丁文符号633

附录G 希腊文符号636

索引637