光通信原理與系統(tǒng)

前言

　　1881年貝爾發(fā)明了光電話，開創(chuàng)了無線光通信的先河。1960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，為大容量光通信提供了理想的光源，推動了現(xiàn)代光學(xué)通信的發(fā)展。1966年高錕解決了石英光纖損耗問題，提出了研制低損耗光纖的可能性。1970年美國康寧公司研制成功了低損耗光纖，光通信發(fā)展進入了快車道。由于光纖通信具有巨大的傳輸帶寬、極低的傳輸損耗和極高的保密性等優(yōu)勢，因此，自20世紀70年代以來，光纖通信成為光通信的主流，幾乎完全取代電纜載波通信，已成為固定通信網(wǎng)干線中最重要的大容量、長距離的傳輸技術(shù)。隨著DWDM、EDFA和光交換技術(shù)的發(fā)展，光纖通信進入了全光通信的時代。近年來，由于寬帶無線接入、寬帶星間鏈路和對潛水下通信等應(yīng)_用的需求不斷增加，無線激光通信進入了又一輪研究熱潮。總之，光通信是通信發(fā)展史中一次革命性的進步。　　光通信技術(shù)是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)最重要的專業(yè)課程之一，光通信系統(tǒng)更是一個城市、一個國家乃至全球最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施。同時，光通信的新理論、新技術(shù)、新設(shè)備和新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，推動了光通信技術(shù)的不斷發(fā)展。人們越來越期望學(xué)習(xí)和掌握光通信的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，也希望了解光通信的新成就和新發(fā)展，本書正是順應(yīng)這一需求而編寫的。

內(nèi)容概要

　　《光通信原理與系統(tǒng)》是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。《光通信原理與系統(tǒng)》系統(tǒng)講述了光通信的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，包括光纖通信和無線光通信兩部分。第1章概述光通信的系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)和光通信的發(fā)展；第2章講述與光通信有關(guān)的基礎(chǔ)理論；第3章一第6章講述光纖通信所涉及的光纖、光通信器件、光纖通信系統(tǒng)和光通信網(wǎng)絡(luò)；第7章講述無線光通信，包括大氣激光通信、衛(wèi)星激光通信和水下激光通信?！豆馔ㄐ旁砼c系統(tǒng)》可作為通信工程、電子信息以及相近專業(yè)本科生的教材，也可作為通信類研究生或工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章　光通信概述1.1　光波的電磁頻譜1.2　光通信發(fā)展1.3　光通信系統(tǒng)組成1.4　光通信系統(tǒng)的基本問題與主要性能指標1.4.1　衰減1.4.2　色散1.4.3　最大比特率1.4.4　帶寬1.4.5　傳輸距離1.4.6　通信容量習(xí)題第2章　光通信的理論基礎(chǔ)2.1　光的波粒二象性2.2　電磁場理論基礎(chǔ)2.2.1　電磁場基本方程2.2.2　電磁場邊界條件2.2.3　波動方程和亥姆霍茲方程2.2.4　均勻平面電磁波2.2.5　平面電磁波的偏振狀態(tài)2.2.6　F面波的反射和折射2.3　光學(xué)理論基礎(chǔ)2.3.1　幾何光學(xué)的基本定律2.3.2　光源與光譜2.3.3　光的干涉與衍射2.3.4　光與介質(zhì)的相互作用2.3.5　非線性光學(xué)效應(yīng)2.3.6　光在介質(zhì)中傳播習(xí)題第3章　光纖3.1　光纖概述3.1.1　光纖結(jié)構(gòu)3.1.2　光纖材料3.1.3　光纖制造3.1.4　光纖分類3.1.5　光纜3.2　光纖傳輸理論3.2.1　階躍型光纖的光線理論分析3.2.2　階躍型光纖的標量近似分析3.2.3　漸變型光纖的光線理論分析3.3　光纖的傳輸特性3.3.1　光纖損耗3.3.2　光纖色散3.3.3　光纖可用頻譜3.4　常用單模光纖3.4.1　常規(guī)單模光纖3.4.2　色散位移光纖（DSF）3.4.3　非零色散光纖（NZDF）3.4.4　色散平坦光纖（DFF）3.4.5　色散補償光纖（DCF）3.5　光纖的非線性效應(yīng)3.5.1　自相位調(diào)制與交叉相位調(diào)制3.5.2　四波混頻3.5.3　受激布里淵散射3.5.4　受激拉曼散射習(xí)題第4章　光通信器件4.1　半導(dǎo)體激光器4.1.1　半導(dǎo)體激光器原理4.1.2　激光器的基本組成4.1.3　半導(dǎo)體激光器的機理4.1.4　制作激光器的材料4.1.5　F-P腔激光器4.1.6　量子阱半導(dǎo)體激光器4.1.7　分布反饋激光器4.1.8　半導(dǎo)體激光器的工作特性4.1.9　光纖通信使用的激光器4.1.1　0固體藍光激光器4.2　半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）4.2.1　LED工作原理4.2.2　LED工作特性4.3　光放大器4.3.1　概述4.3.2　光放大器分類4.3.3　摻鉺光纖放大器（EDFA）4.3.4　拉曼光纖放大器（SRA）4.3.5　半導(dǎo)體光放大器4.3.6　其他光放大器4.4　光檢測器4.4.1　生導(dǎo)體的光電效應(yīng)4.4.2　PN光電二極管4.4.3　雪崩光電二極管4.4.4　光檢測器性能參數(shù)4.4.5　光檢測器噪聲4.5　其他光通信器件4.5.1　連接器4.5.2　光纖耦合器4.5.3　光濾波器4.5.4　光衰減器4.5.5　光開關(guān)4.5.6　光隔離器與光環(huán)形器4.5.7　波分復(fù)用器／解復(fù)用器4.5.8　調(diào)制器習(xí)題第5章　光纖通信系統(tǒng)5.1　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)5.1.1　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的基本組成5.1.2　數(shù)字光發(fā)送機5.1.3　數(shù)字光接收機5.1.4　強度調(diào)制一直接檢波光纖數(shù)字通信系統(tǒng)5.1.5　SDHy匕纖通信系統(tǒng)5.1.6　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)設(shè)計5.1.7　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的可靠性5.2　模擬光纖通信系統(tǒng)5.2.1　模擬光纖通信系統(tǒng)組成5.2.2　模擬信號的強度調(diào)制5.2.3　模擬基帶直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)5.2.4　多信道模擬光纖傳輸系統(tǒng)5.3　波分復(fù)用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)5.3.1　WDM概述5.3.2　WDM系統(tǒng)的基本形式5.3.3　WDM系統(tǒng)組成5.3.4　WDM系統(tǒng)規(guī)范5.4　光孤子通信系統(tǒng)5.4.1　光孤子通信原理5.4.2　光孤子通信系統(tǒng)組成5.4.3　光孤子通信的關(guān)鍵技術(shù)5.5　相干光通信系統(tǒng)5.5.1　相干光通信原理5.5.2　相干光通信系統(tǒng)組成5.5.3　相干光通信的優(yōu)點5.5.4　相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)習(xí)題第6章　光網(wǎng)絡(luò)6.1　光網(wǎng)絡(luò)概述6.1.1　通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展6.1.2　通信網(wǎng)絡(luò)分層模型6.1.3　光傳送網(wǎng)與全光網(wǎng)絡(luò)6.1.4　光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)6.2　SDH傳送網(wǎng)6.2.1　SDH傳送網(wǎng)分層模型6.2.2　SDH傳送網(wǎng)物理拓撲結(jié)構(gòu)6.2.3　SDH傳送網(wǎng)的保護技術(shù)6.2.4　SDH組網(wǎng)6.2.5　SDH網(wǎng)絡(luò)管理6.3　WDM光傳送網(wǎng)6.3.1　WDM與光傳送網(wǎng)6.3.2　WDM傳送網(wǎng)的優(yōu)點6.3.3　光分插復(fù)用器（OADM）6.3.4　光交叉連接（OXC）6.3.5　光交換技術(shù)6.3.6　波長轉(zhuǎn)換技術(shù)6.3.7　WDM網(wǎng)絡(luò)管理6.4　光接入網(wǎng)6.4.1　光接入網(wǎng)的基本概念6.4.2　光接入網(wǎng)的分類6.4.3　光接入網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)6.4.4　光纖以太網(wǎng)6.4.5　無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）6.4.6　混合光纖同軸網(wǎng)（HFC）6.5　光因特網(wǎng)（PoverWDM）6.5.1　什么是光因特網(wǎng)6.5.2　Poverx習(xí)題第7章　無線激光通信7.1　大氣激光通信7.1.1　大氣激光通信概述7.1.2　激光在大氣信道中的傳播特性7.1.3　大氣激光通信的關(guān)鍵技術(shù)7.1.4　大氣激光通信系統(tǒng)7.2　水下激光通信7.2.1　水下激光逋信的應(yīng)用7.2.2　海水信道7.2.3　海水信道的損耗特性7.2.4　固體藍光激光器7.2.5　對潛藍綠激光通信系統(tǒng)7.3　衛(wèi)星激光通信7.3.1　衛(wèi)星通信概述7.3.2　衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)簡介7.3.3　自由空間的光傳播7.3.4　星間激光通信中的光學(xué)天線7.3.5　星間激光通信中的PAT系統(tǒng)7.3.6　星間激光通信系統(tǒng)習(xí)題參考文獻

章節(jié)摘錄

　　光源的作用是完成電光轉(zhuǎn)換。目前光通信系統(tǒng)中所使用的光源幾乎都是半導(dǎo)體發(fā)光器件。最常用的兩類光源是半導(dǎo)體發(fā)光二極管（I,ED）和半導(dǎo)體激光器（LD）?！　“雽?dǎo)體發(fā)光二極管是基于自發(fā)輻射發(fā)光機理的發(fā)光器件。它的發(fā)光功率與注入電流成正比，優(yōu)點是線性好、溫度穩(wěn)定性好、成本低，缺點是功率較小、譜線寬。因而只適用于短距離傳輸，如局域網(wǎng)（LAN）中的光端機多采用LED作光源，以降低成本。　　半導(dǎo)體激光器是基于光的受激輻射放大機理的發(fā)光器件。LD是一種閾值器件，也就是說，只有注入電流大于某一閾值電流時，器件才能發(fā)射激光。與LED相比，LD具有較大的發(fā)光功率（毫瓦量級），很窄的光譜線寬（從數(shù)兆赫茲到數(shù)百吉赫茲），能對其實現(xiàn)高速調(diào)制（數(shù)吉赫茲）。因而長途高速光纖傳輸系統(tǒng)都采用LD作為光源?！　?、光源調(diào)制　　對光源的調(diào)制可以采用直接調(diào)制和間接調(diào)制兩種方式。直接調(diào)制又稱為內(nèi)調(diào)制，即用電信號直接控制光源的注入電流，使光源的發(fā)光強度隨所加的電信號而變化。間接調(diào)制又稱為外調(diào)制，光源發(fā)出穩(wěn)定的光束進入外調(diào)制器，外調(diào)制器利用介質(zhì)的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)或磁光效應(yīng)來實現(xiàn)電信號對光強的調(diào)制?！　∮捎谥苯诱{(diào)制易于實現(xiàn)，因此早期的光通信系統(tǒng)都采用直接調(diào)制方式，但是在對光源進行直接調(diào)制過程中，半導(dǎo)體光源有源區(qū)載流子濃度的快速變化，導(dǎo)致有源區(qū)等效折射率的快速變化，其結(jié)果是輸出光束的頻率不穩(wěn)定，這就是所謂高速調(diào)制時的頻率啁啾現(xiàn)象。頻率啁啾會因光纖的色散產(chǎn)生額外的傳輸損傷，所以高速傳輸系統(tǒng)一般采用外調(diào)制技術(shù)。外調(diào)制器一般是一個無源器件，它的調(diào)制速率可以做得很高（超過數(shù)十吉赫茲），幾乎不產(chǎn)生頻率啁啾。實用的外調(diào)制器大多是基于晶體電光效應(yīng)做成的電光調(diào)制器，例如，以LiNbO，為基礎(chǔ)材料做成的波導(dǎo)調(diào)制器，尤其是M-z型調(diào)制器得到了廣泛應(yīng)用。

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