通信光電子器件與系統(tǒng)的測量及仿真

前言

　　著名科學家門捷列夫曾經(jīng)說過：沒有測量就沒有科學。這句話充分概括了測量手段、測試技術在現(xiàn)代科學發(fā)展中的重要地位?！　」饫w通信技術是一門迅猛發(fā)展的新興技術。從1960年7月世界上第一臺紅寶石激光器出現(xiàn)、提出利用光導纖維進行激光通信的設想的二三十年里，在全世界范圍內開始了利用光纖通信取代電纜通信的進程。光纖通信以其巨大的帶寬潛力、超長距離傳輸?shù)确矫娴耐怀鰞?yōu)勢，逐漸成為全球高速骨干網(wǎng)的主要傳輸方式。在這個發(fā)展過程中，光纖通信測試技術也在不斷地完善和進步。光纖通信新技術的迅猛發(fā)展，以及高速光電子器件的不斷涌現(xiàn)，對光纖通信系統(tǒng)測量技術、光電子檢測的精度不斷提出新要求、新課題。準確的測試技術為光通信的發(fā)展提供了保障和依據(jù)。　　現(xiàn)階段，著眼于光通信發(fā)展的美好前景，眾多高等院校的通信相關專業(yè)都開設了光纖通信系統(tǒng)、光電子技術、光纖通信器件、激光原理、光信息處理等相關理論課程。然而，相關的測量和實驗課程卻相對薄弱。理論課程的設置應該和實驗技術相結合，這樣將達到更好的教學效果。從這個角度出發(fā)，我們結合北京郵電大學已經(jīng)開展的光纖通信系統(tǒng)和光電子器件測量的實驗狀況，編寫了本書。在這本書里，不僅介紹光纖通信系統(tǒng)和光電子器件測量的基本原理，還列出通信類專業(yè)學生必須掌握的相關實驗。讀者通過對光纖通信系統(tǒng)的測量和光電子通信器件工作特性的測量，可以加深對光纖通信系統(tǒng)各個部分的認識，理解光電子器件的物理特性，熟悉各類光通信測試儀表的使用，鞏固和促進自己在這一領域的學習。　　本書分別對光纖、光電子器件、光纖通信系統(tǒng)網(wǎng)絡特性等光通信中最核心的內容進行重點論述，并通過相應的實踐環(huán)節(jié)提高讀者的動手能力，使讀者掌握光通信測量的原理、熟悉各種光通信儀表的使用，達到理論和實踐相結合的目的。書中的部分實驗涵蓋了傳統(tǒng)光通信測量中的實驗內容，如半導體激光器輸出靜態(tài)特性測量、PIN光電二極管的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析、電光調制實驗、光纖熔接技術等；另一部分實驗則是筆者結合近幾年的科研成果和光通信發(fā)展的主流，自主開發(fā)的一些設計型、綜合型、創(chuàng)新型實驗，如OADM光交換綜合實驗、光纖光柵傳感實驗、全光波長轉換實驗等。目的在于使讀者通過實驗提高動手能力、更深刻地把握專業(yè)知識，并不斷激發(fā)讀者的創(chuàng)新能力。本書中重點介紹的實驗平臺基本上都是自行搭建，主要針對高校電子、信息類的本科生和研究生的學科特點設計，有著濃郁的通信特色?！　×硗?，科研和工程人員可以通過本書了解如何對光纖通信系統(tǒng)和光電子通信器件進行準確測量、如何合理地確立測量方案，加深對光纖通信系統(tǒng)各個部分的認識，為工程施工和維護帶來方便，這也是我們編寫本書的一個重要原因?！　∫虼耍緯粌H可以作為一本專業(yè)課教材，也可以作為光纖通信系統(tǒng)的設備研發(fā)人員、工程技術人員的學習參考書。

內容概要

本書介紹光纖通信系統(tǒng)的測量及仿真，主要內容包括常用測量儀表的使用和原理介紹，光纖與光纜的測量，常用通信光電子器件的工作原理和測量，光纖和光電子器件測量基本型實驗，光纖通信系統(tǒng)的測量，包括SDH系統(tǒng)特性、WDM特性、接入網(wǎng)等，PSpice、OptiSystem等仿真軟件在光纖通信中的應用，以及光纖通信系統(tǒng)測試和綜合設計型實驗。通過對本書的學習，讀者可以了解如何對光纖通信系統(tǒng)和光電子通信器件進行準確測量，如何合理地確立測量方案，加深對光纖通信系統(tǒng)各個部分的認識。    本書既可作為工科院校通信專業(yè)的教材，亦可供工程技術人員和科研人員學習參考。

書籍目錄

第1章  概述  1.1  光纖通信的發(fā)展  1.2  光纖通信系統(tǒng)的基本概念  1.3  光網(wǎng)絡技術的發(fā)展  1.4  光纖通信測量的主要內容  1.5  光纖通信測量的ITU—T建議和國標第2章  常用測量儀表的使用和基本常識  2.1  光功率計  2.2  光源  2.3  光時域反射儀  2.4  誤碼分析儀  2.5  SDH綜合測試儀  2.6  光纖熔接機  2.7  光譜分析儀  2.8  示波器和眼圖測試  2.9  其他常用的通信測量基本儀器  2.10  常用光電子元器件的識別  2.11  常用電子元器件的識別  2.12  光通信測試儀表的選擇和防護第3章  光纖和光纜的測量  3.1  光纖和光纜基本理論  3.2  光纖的主要性能參量  3.3  光纖參數(shù)的測試  3.4  光纖機械特性參數(shù)測試  3.5  光纜機械和環(huán)境性能測試  3.6  通信系統(tǒng)中的光纜自動監(jiān)測系統(tǒng)第4章  通信光電子器件的性能與測量  4.1  半導體激光器特性與測量  4.2  半導體光探測器的靜態(tài)特性與測量  4.3  光纖放大器  4.4  全光波長轉換器  4.5  光纖活動連接器、光耦合器等無源器件的測量  4.6  光復用／解復用器件  4.7  光開關特性和測量  4.8  光調制器  4.9  光纖光柵  4.10  光通信器件中光纖光柵的應用實例第5章  光纖和光電子器件測量基本型實驗  5.1  單模光纖截止波長測量  5.2  光纖衰減常數(shù)測量和OTDR測光纖鏈路特性  5.3  光纖色散測量  5.4  光纖偏振模色散特性的測量  5.5  半導體光源靜態(tài)特性測試實驗  5.6  光電探測器靜態(tài)特性測試實驗  5.7  半導體光源的動態(tài)特性測試  5.8  PIN光電二極管和APD的動態(tài)特性測試  5.9  摻鉺光纖放大器特性  5.10  光纖喇曼放大器原理演示  5.11  全光波長轉換綜合實驗  5.12  光纖活動連接器  5.13  耦合器、分路器、隔離器、環(huán)形器等無源器件特性測試  5.14  光開關轉換時間的測量  5.15  電光效應與電光調制綜合實驗  5.16  聲光效應與聲光調制綜合實驗  5.17  馬赫一曾德爾光纖干涉儀綜合實驗  5.18  光纖光柵傳感特性的測試  5.19  光纖光柵外腔半導體激光器綜合實驗  5.20  光纖激光器綜合實驗第6章  光纖通信系統(tǒng)的測量  6.1  點到點光纖通信系統(tǒng)  6.2  SDH光傳輸設備及其測試  6.3  波分復用光傳輸技術及其測試  6.4  寬帶光接入網(wǎng)的特性和測量第7章  光纖通信系統(tǒng)仿真和仿真軟件  7.1  光纖通信系統(tǒng)仿真軟件的現(xiàn)狀  7.2  OptiSystem在系統(tǒng)仿真中的應用  7.3  光電子器件的電路級仿真和PSpice應用  7.4  MATLAB在光通信中的應用第8章  光纖通信系統(tǒng)測試和綜合設計型實驗  8.1  光發(fā)端機指標測試實驗  8.2  光接收單元指標測試實驗  8.3  光波分復用系統(tǒng)實驗及其誤碼率測量  8.4  OADM綜合實驗  8.5  紅外光通信收發(fā)模塊的設計  8.6  簡易光功率計設計實驗  8.7  CPLD電路設計實驗(綜合設計型)  8.8  聲音和圖像的光纖傳輸系統(tǒng)附錄1  專業(yè)詞匯及縮略語附錄2  常用物理和數(shù)學符號參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.1 光纖通信的發(fā)展　　信息技術是當今世界應用范圍廣、產生效益高、前景廣闊的科學技術。在過去的數(shù)十年間，以計算機、光纖通信等高科技產業(yè)為主體的信息技術得到了空前的發(fā)展，這場技術革命對人類社會影響之深刻絲毫不遜色于百年前的工業(yè)革命，它大大地改變了人們傳統(tǒng)的思維方式、生活模式，沖擊著資本市場、人才市場、現(xiàn)存的產業(yè)界限和運作模式。隨著新世紀的到來，人類在物質、精神文明領域永無止境的追求與這場方興未艾的變革相得益彰，人類社會真正全方位地進人了一個日新月異的信息時代?！　∽鳛樾畔⒓夹g支柱之一，光纖通信技術的地位相當重要，光通信技術的發(fā)展經(jīng)歷了三次飛躍：　　第一次飛躍以1962年第一個半導體激光器誕生為標志。1966年科研人員首次提出用玻璃制成通信光導纖維作為通信媒質的設想。很快，1970年康寧公司就制出了20dB／km的光纖，光纖通信系統(tǒng)的實際研究基本條件得以具備?！　〉诙物w躍的起點是1970年LD的雙異質結構的發(fā)明，光源與光檢測器的壽命達到了10萬小時的實用化水平。與此同時，1310nm和1550nm新的光纖低損耗窗口被發(fā)現(xiàn)，單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB／km。光纖通信邁入實用化階段。隨后，長波長多模激光器和單頻半導體激光器的研制成功使通信光纖從多模光纖過渡到低色散的單模光纖，光通信的波長也從短波長過渡到低損耗的長波長，光纖通信系統(tǒng)陸續(xù)占領世界的電信市場，成為重要的通信手段。　　第三次飛躍在20世紀90年代初，以摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功為標志。EDFA的應用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網(wǎng)絡器件的應用創(chuàng)造了條件。同時，EDFA具有高增益、寬帶寬、偏振無關、噪聲小和接入方便等優(yōu)點。作為一種全光器件，避免了再生中繼中的光電－電光轉換過程，解決了1.55μm光傳輸窗口中近40nm帶寬內的多波長的同時功率補償問題。EDFA與色散／非線性補償技術相結合，大大提高了通信中繼距離。同時，紫外誘導光纖光柵制作技術的突破改變了自70年代末光纖光敏性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來光纖光柵實用化進程停滯不前的局面，光纖光柵很快被應用到各類WDM光器件中，作為一種在濾波和色散特性上獨具特色的全光纖型器件，不僅為器件設計提供了新穎、簡便的構思，而且大大提高了器件性能。光纖光柵使各種全光纖型器件走向實用化，使光通信領域的技術不斷創(chuàng)新和飛躍?！　≡谡麄€光通信領域飛速發(fā)展的背景下，光通信測試技術作為基礎和保障也不斷向高速化、智能化蓬勃發(fā)展。

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