通信光電子器件與系統(tǒng)的測(cè)量及仿真

前言

　　著名科學(xué)家門捷列夫曾經(jīng)說過：沒有測(cè)量就沒有科學(xué)。這句話充分概括了測(cè)量手段、測(cè)試技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中的重要地位?！　」饫w通信技術(shù)是一門迅猛發(fā)展的新興技術(shù)。從1960年7月世界上第一臺(tái)紅寶石激光器出現(xiàn)、提出利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行激光通信的設(shè)想的二三十年里，在全世界范圍內(nèi)開始了利用光纖通信取代電纜通信的進(jìn)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(shì)，逐漸成為全球高速骨干網(wǎng)的主要傳輸方式。在這個(gè)發(fā)展過程中，光纖通信測(cè)試技術(shù)也在不斷地完善和進(jìn)步。光纖通信新技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及高速光電子器件的不斷涌現(xiàn)，對(duì)光纖通信系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)、光電子檢測(cè)的精度不斷提出新要求、新課題。準(zhǔn)確的測(cè)試技術(shù)為光通信的發(fā)展提供了保障和依據(jù)?！　‖F(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(guān)專業(yè)都開設(shè)了光纖通信系統(tǒng)、光電子技術(shù)、光纖通信器件、激光原理、光信息處理等相關(guān)理論課程。然而，相關(guān)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)課程卻相對(duì)薄弱。理論課程的設(shè)置應(yīng)該和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，這樣將達(dá)到更好的教學(xué)效果。從這個(gè)角度出發(fā)，我們結(jié)合北京郵電大學(xué)已經(jīng)開展的光纖通信系統(tǒng)和光電子器件測(cè)量的實(shí)驗(yàn)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(cè)量的基本原理，還列出通信類專業(yè)學(xué)生必須掌握的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。讀者通過對(duì)光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量和光電子通信器件工作特性的測(cè)量，可以加深對(duì)光纖通信系統(tǒng)各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)，理解光電子器件的物理特性，熟悉各類光通信測(cè)試儀表的使用，鞏固和促進(jìn)自己在這一領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。　　本書分別對(duì)光纖、光電子器件、光纖通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性等光通信中最核心的內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)論述，并通過相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)提高讀者的動(dòng)手能力，使讀者掌握光通信測(cè)量的原理、熟悉各種光通信儀表的使用，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的。書中的部分實(shí)驗(yàn)涵蓋了傳統(tǒng)光通信測(cè)量中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如半導(dǎo)體激光器輸出靜態(tài)特性測(cè)量、PIN光電二極管的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析、電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)、光纖熔接技術(shù)等；另一部分實(shí)驗(yàn)則是筆者結(jié)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(shè)計(jì)型、綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，如OADM光交換綜合實(shí)驗(yàn)、光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)、全光波長轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)等。目的在于使讀者通過實(shí)驗(yàn)提高動(dòng)手能力、更深刻地把握專業(yè)知識(shí)，并不斷激發(fā)讀者的創(chuàng)新能力。本書中重點(diǎn)介紹的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本上都是自行搭建，主要針對(duì)高校電子、信息類的本科生和研究生的學(xué)科特點(diǎn)設(shè)計(jì)，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(duì)光纖通信系統(tǒng)和光電子通信器件進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量、如何合理地確立測(cè)量方案，加深對(duì)光纖通信系統(tǒng)各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)，為工程施工和維護(hù)帶來方便，這也是我們編寫本書的一個(gè)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(shè)備研發(fā)人員、工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)參考書。

內(nèi)容概要

本書介紹光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量及仿真，主要內(nèi)容包括常用測(cè)量?jī)x表的使用和原理介紹，光纖與光纜的測(cè)量，常用通信光電子器件的工作原理和測(cè)量，光纖和光電子器件測(cè)量基本型實(shí)驗(yàn)，光纖通信系統(tǒng)的測(cè)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(yīng)用，以及光纖通信系統(tǒng)測(cè)試和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)本書的學(xué)習(xí)，讀者可以了解如何對(duì)光纖通信系統(tǒng)和光電子通信器件進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，如何合理地確立測(cè)量方案，加深對(duì)光纖通信系統(tǒng)各個(gè)部分的認(rèn)識(shí)。    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(shù)人員和科研人員學(xué)習(xí)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(luò)技術(shù)的發(fā)展  1.4  光纖通信測(cè)量的主要內(nèi)容  1.5  光纖通信測(cè)量的ITU—T建議和國標(biāo)第2章  常用測(cè)量?jī)x表的使用和基本常識(shí)  2.1  光功率計(jì)  2.2  光源  2.3  光時(shí)域反射儀  2.4  誤碼分析儀  2.5  SDH綜合測(cè)試儀  2.6  光纖熔接機(jī)  2.7  光譜分析儀  2.8  示波器和眼圖測(cè)試  2.9  其他常用的通信測(cè)量基本儀器  2.10  常用光電子元器件的識(shí)別  2.11  常用電子元器件的識(shí)別  2.12  光通信測(cè)試儀表的選擇和防護(hù)第3章  光纖和光纜的測(cè)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(cè)試  3.4  光纖機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試  3.5  光纜機(jī)械和環(huán)境性能測(cè)試  3.6  通信系統(tǒng)中的光纜自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第4章  通信光電子器件的性能與測(cè)量  4.1  半導(dǎo)體激光器特性與測(cè)量  4.2  半導(dǎo)體光探測(cè)器的靜態(tài)特性與測(cè)量  4.3  光纖放大器  4.4  全光波長轉(zhuǎn)換器  4.5  光纖活動(dòng)連接器、光耦合器等無源器件的測(cè)量  4.6  光復(fù)用／解復(fù)用器件  4.7  光開關(guān)特性和測(cè)量  4.8  光調(diào)制器  4.9  光纖光柵  4.10  光通信器件中光纖光柵的應(yīng)用實(shí)例第5章  光纖和光電子器件測(cè)量基本型實(shí)驗(yàn)  5.1  單模光纖截止波長測(cè)量  5.2  光纖衰減常數(shù)測(cè)量和OTDR測(cè)光纖鏈路特性  5.3  光纖色散測(cè)量  5.4  光纖偏振模色散特性的測(cè)量  5.5  半導(dǎo)體光源靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)  5.6  光電探測(cè)器靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)  5.7  半導(dǎo)體光源的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試  5.8  PIN光電二極管和APD的動(dòng)態(tài)特性測(cè)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(zhuǎn)換綜合實(shí)驗(yàn)  5.12  光纖活動(dòng)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(cè)試  5.14  光開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間的測(cè)量  5.15  電光效應(yīng)與電光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn)  5.16  聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn)  5.17  馬赫一曾德爾光纖干涉儀綜合實(shí)驗(yàn)  5.18  光纖光柵傳感特性的測(cè)試  5.19  光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器綜合實(shí)驗(yàn)  5.20  光纖激光器綜合實(shí)驗(yàn)第6章  光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量  6.1  點(diǎn)到點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)  6.2  SDH光傳輸設(shè)備及其測(cè)試  6.3  波分復(fù)用光傳輸技術(shù)及其測(cè)試  6.4  寬帶光接入網(wǎng)的特性和測(cè)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(yīng)用  7.3  光電子器件的電路級(jí)仿真和PSpice應(yīng)用  7.4  MATLAB在光通信中的應(yīng)用第8章  光纖通信系統(tǒng)測(cè)試和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)  8.1  光發(fā)端機(jī)指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)  8.2  光接收單元指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)  8.3  光波分復(fù)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及其誤碼率測(cè)量  8.4  OADM綜合實(shí)驗(yàn)  8.5  紅外光通信收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)  8.6  簡(jiǎn)易光功率計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)  8.7  CPLD電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(綜合設(shè)計(jì)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(xué)符號(hào)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1 光纖通信的發(fā)展　　信息技術(shù)是當(dāng)今世界應(yīng)用范圍廣、產(chǎn)生效益高、前景廣闊的科學(xué)技術(shù)。在過去的數(shù)十年間，以計(jì)算機(jī)、光纖通信等高科技產(chǎn)業(yè)為主體的信息技術(shù)得到了空前的發(fā)展，這場(chǎng)技術(shù)革命對(duì)人類社會(huì)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(chǎng)、人才市場(chǎng)、現(xiàn)存的產(chǎn)業(yè)界限和運(yùn)作模式。隨著新世紀(jì)的到來，人類在物質(zhì)、精神文明領(lǐng)域永無止境的追求與這場(chǎng)方興未艾的變革相得益彰，人類社會(huì)真正全方位地進(jìn)人了一個(gè)日新月異的信息時(shí)代?！　∽鳛樾畔⒓夹g(shù)支柱之一，光纖通信技術(shù)的地位相當(dāng)重要，光通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三次飛躍：　　第一次飛躍以1962年第一個(gè)半導(dǎo)體激光器誕生為標(biāo)志。1966年科研人員首次提出用玻璃制成通信光導(dǎo)纖維作為通信媒質(zhì)的設(shè)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(shí)際研究基本條件得以具備?！　〉诙物w躍的起點(diǎn)是1970年LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)明，光源與光檢測(cè)器的壽命達(dá)到了10萬小時(shí)的實(shí)用化水平。與此同時(shí)，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(shí)用化階段。隨后，長波長多模激光器和單頻半導(dǎo)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(lǐng)世界的電信市場(chǎng)，成為重要的通信手段。　　第三次飛躍在20世紀(jì)90年代初，以摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功為標(biāo)志。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補(bǔ)償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。同時(shí)，EDFA具有高增益、寬帶寬、偏振無關(guān)、噪聲小和接入方便等優(yōu)點(diǎn)。作為一種全光器件，避免了再生中繼中的光電－電光轉(zhuǎn)換過程，解決了1.55μm光傳輸窗口中近40nm帶寬內(nèi)的多波長的同時(shí)功率補(bǔ)償問題。EDFA與色散／非線性補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合，大大提高了通信中繼距離。同時(shí)，紫外誘導(dǎo)光纖光柵制作技術(shù)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(shí)用化進(jìn)程停滯不前的局面，光纖光柵很快被應(yīng)用到各類WDM光器件中，作為一種在濾波和色散特性上獨(dú)具特色的全光纖型器件，不僅為器件設(shè)計(jì)提供了新穎、簡(jiǎn)便的構(gòu)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?qū)嵱没?，使光通信領(lǐng)域的技術(shù)不斷創(chuàng)新和飛躍。　　在整個(gè)光通信領(lǐng)域飛速發(fā)展的背景下，光通信測(cè)試技術(shù)作為基礎(chǔ)和保障也不斷向高速化、智能化蓬勃發(fā)展。

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