光纖通信

前言

　　早在1966年，英籍華人高錕發(fā)表了關于通信傳輸新介質的論文，指出利用玻璃纖維進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，從而奠定了光纖通信的基礎。在此后短短的40多年中，光纖的損耗由當時的3000dB／km已經降低到目前的0.151dB／km。在光纖損耗降低的同時，光纖通信所用的光源、探測器、無源／有源器件等，無論是分立元件，還是集成器件都取得了突破性的進展。自20世紀70年代中期以來，光纖通信的發(fā)展速度之快令人震驚，可以說沒有任何一種通信方式可以與之相比擬，光纖通信已成為所有通信系統(tǒng)的最佳技術選擇。由于高錕在開創(chuàng)光纖通信歷史上的卓越貢獻，1998年IEE授予他榮譽獎章；又由于高錕在用光學玻璃纖維傳輸信息方面取得的開創(chuàng)性成就，瑞典皇家科學院特授予他2009年度諾貝爾物理學獎?！　∧壳埃瑹o論電信骨干網還是用戶接入網，無論陸地通信網還是海底通信網，無論看電視還是打電話，光纖無處不在，無時不用，光纖傳輸技術隨時隨地都能碰到。所以對于從事信息技術的人員來講，了解光纖通信技術是至關重要的?！　　豆饫w通信》（第2版）2006年出版以來，由于該書內容全、素材新，概念解釋清楚，分析深入淺出，敘述通俗易懂，簡明扼要，圖文并茂，注重實用，適合不同層次的讀者閱讀，受到了廣大讀者的厚愛，現(xiàn)已脫銷。值此再版之際，特對第2版中的許多內容，根據光纖通信的最新進展進行了增刪和修訂。　　在第1章中，刪除了比較淺顯的三種基本的光纖通信系統(tǒng)、三代網絡和接入網的一般介紹?！　≡诘?章中，根據。ITU-TSG15組光纖標準化的進展情況，增加了G656全波光纖和Ct657接入網用光纖的內容，并對G652～G655幾種光纖指標的最新變化進行了修訂。　　在第3章中，刪除了一些不常用的內容，如邁克爾遜干涉濾波器、聲光濾波器、光纖環(huán)路諧振帶通濾波器、光纖光柵解復用器、介質薄膜干涉濾波解復用器、熔拉雙錐耦合波分復用器、耦合波導調制器和光開關、聲光調制器、聲光開關。在對陣列波導光柵（AWG）復用／解復用器進一步介紹的基礎上，增加了AWG濾波器和AWG可重構光分插復用器（ROADM）。對目前常用的Q=PSK光調制器和偏振復用器件進行了介紹，對現(xiàn)在研究的熱門課題將來很有發(fā)展前途的磁光波導光隔離器也作了較詳細的描述。　　在第4章中，刪除了光發(fā)射機常規(guī)的驅動電路、保護電路、光頻穩(wěn)定及其控制電路，同時也刪除了沒有發(fā)展前途的光纖激光器等內容，增加了平面波導集成（PLC）電吸收調制激光器（E／VML）和目前開發(fā)出的高速光發(fā)射機電路，如單芯片40個信道的40x40Gb／sWDM光發(fā)送機，同時還增加了很有發(fā)展前途的PLC波長可調半導體激光器（LD）方面的內容，如耦合腔波長可調LD、衍射光柵波長可調LD、陣列波導光柵（AWG）波長可調LD和AWG多頻激光器等。

內容概要

　　在第2版的基礎上，根據光纖通信技術的最新進展，為滿足廣大讀者的需求重新編寫的。全書共分9章，首先講解了光纖通信技術，內容包括光纖通信基礎，光纖和光纜，光無源、有源器件，光接收、發(fā)射和放大；接著闡述了幾種光纖傳輸系統(tǒng)，如電頻分復用（SCM）系統(tǒng)，電時分復用的典型應用SDH系統(tǒng)，光時分、光波分和光碼分復用系統(tǒng)，以及近來又受到關注的相干光波系統(tǒng)和光纖孤子通信系統(tǒng)；然后介紹了光纖傳輸系統(tǒng)設計所必須考慮的幾個問題；最后闡明了光纖色散對系統(tǒng)性能的限制和人們對色散補償管理的方法。　　為了教師和工程技術人員電子教學和培訓的需要，這次再版將免費提供各章的電子教學課件Power Point文件，包括書中所有的插圖?！　　豆饫w通信（第3版）》可供本科生和研究生使用，也可作為培訓教材使用，對于從事光纖通信系統(tǒng)和網絡研究、教學、規(guī)劃、設計、使用、管理和維護的有關人員也具有很好的參考價值。

書籍目錄

第1章 概述（1）1.1 光纖通信技術發(fā)展（1）1.1.1 光纖通信的優(yōu)點（3）1.1.2 光傳送網的關鍵技術（5）1.1.3 通信網絡的分層結構（7）1.2 光波基礎（8）1.2.1 光的本質（8）1.2.2 均勻介質中的光波（10）1.2.3 相速度和折射率（13）1.2.4 群速度和群折射率（13）1.3 光與介質的相互作用（15）1.3.1 斯奈爾定律和全反射（15）1.3.2 內/外反射、抗反射膜和電介質鏡（16）1.3.3 光多次干涉和諧振（22）1.3.4 古斯-漢森相移和分光鏡（25）1.3.5 相干（26）1.3.6 衍射（28）1.3.7 偏振（31）1.3.8 雙折射——光在各向異性介質中的傳輸（33）1.3.9 非線性光學效應（36）1.4 平面介質波導（37）1.4.1 波導條件（37）1.4.2 單模和多模波導（39）復習思考題（39）習題（40）第2章 光纖和光纜（42）2.1 光纖結構和類型（42）2.1.1 多模光纖（42）2.1.2 單模光纖（45）2.1.3 光纖制造工藝（46）2.2 光纖傳輸原理（46）2.2.1 傳輸條件（46）2.2.2 光纖模式（48）2.2.3 單模光纖的基本特性（54）2.3 光纖傳輸特性（57）2.3.1 衰減（57）2.3.2 色散（58）2.3.3 光纖比特率（65）2.3.4 光纖帶寬（67）2.3.5 非線性光學效應（71）2.4 單模光纖的進展和應用（74）2.4.1 G.6 52標準單模光纖（74）2.4.2 G.6 53色散移位光纖（76）2.4.3 G.6 54衰減最小光纖（76）2.4.4 G.6 55非零色散光纖（77）2.4.5 G.6 56寬帶全波光纖（77）2.4.6 G.6 57接入網用光纖（78）2.4.7 色散補償光纖（79）2.5 光纖的選擇（80）2.6 光纜（81）2.6.1 對光纜的基本要求（81）2.6.2 光纜結構和類型（82）2.6.3 海底光纜（84）2.7 光纖傳輸特性測量（87）2.7.1 損耗測量（87）2.7.2 帶寬測量（89）2.7.3 色散測量（89）復習思考題（90）習題（91）第3章 光纖通信器件（92）3.1 連接器（92）3.1.1 連接損耗（92）3.1.2 活動連接器結構和特性（93）3.1.3 接頭（95）3.1.4 連接方法的比較（96）3.2 耦合器（96）3.2.1 T形耦合器（96）3.2.2 熔拉雙錐星形耦合器（97）3.2.3 陣列波導光柵（AWG）星形耦合器（97）3.3 可調諧光濾波器（98）3.3.1 法布里-珀羅（F-P）濾波器（99）3.3.2 馬赫-曾德爾（M-Z）濾波器（102）3.3.3 布拉格（Bragg）光柵濾波器（104）3.3.4 陣列波導光柵（AWG）濾波器（105）3.3.5 調諧濾波器性能比較（107）3.4 波分復用/解復用器（108）3.4.1 棱鏡復用/解復用器（108）3.4.2 衍射光柵解復用器（109）3.4.3 陣列波導光柵（AWG）復用/解復用器（110）3.4.4 馬赫-曾德爾（M-Z）干涉濾波器復用/解復用器（111）3.5 調制器（112）3.5.1 電光調制器（MZM）（113）3.5.2 電吸收波導調制器（EAM）（117）3.5.3 QPSK光調制器（118）3.6 光開關（120）3.6.1 MEMS微機械光開關（120）3.6.2 電光開關（121）3.6.3 熱光開關（TOS）（122）3.6.4 磁光開關（122）3.7 光隔離器（124）3.7.1 磁光塊狀光隔離器（124）3.7.2 磁光波導光隔離器（126）3.8 光環(huán)行器（129）3.9 光分插復用器（OADM）（130）3.9.1 一般概念（130）3.9.2 陣列波導光柵（AWG）光分插復用器（130）3.9.3 可重構光分插復用器（ROADM）（132）3.9.4 波長選擇交換（WSS）ROADM（134）3.10 波長轉換器（135）3.11 偏振復用器件（137）復習思考題（138）習題（138）第4章 光源和光發(fā)射機（139）4.1 概述（139）4.2 發(fā)光機理（140）4.2.1 原理（140）4.2.2 受激發(fā)射條件（142）4.2.3 光增益（144）4.2.4 激光器起振的閾值條件（145）4.2.5 激光器起振的相位條件（147）4.3 半導體激光器（149）4.3.1 異質結半導體激光器（149）4.3.2 量子限制激光器（150）4.3.3 分布反饋激光器（152）4.4 波長可調半導體激光器（155）4.4.1 耦合腔波長可調半導體激光器（155）4.4.2 衍射光柵PIC波長可調激光器（159）4.4.3 陣列波導光柵（AWG）PIC波長可調激光器（160）4.5 垂直腔表面發(fā)射激光器（163）4.6 半導體激光器的特性（164）4.6.1 半導體激光器的基本特性（164）4.6.2 模式特性（169）4.6.3 調制響應（169）4.6.4 噪聲（173）4.7 高速光發(fā)射機（174）復習思考題（175）習題（176）第5章 光探測和光接收機（177）5.1 光探測原理（177）5.2 光電探測器（178）5.2.1 PIN光電二極管（178）5.2.2 雪崩光電二極管（181）5.2.3 響應帶寬（182）5.2.4 新型APD結構（184）5.2.5 MSM光電探測器（186）5.2.6 單行載流子光電探測器（UTC-PD）（187）5.2.7 波導光電探測器（WG-PD）（189）5.2.8 行波探測器（TW-PD）（190）5.3 數(shù)字光接收機（192）5.3.1 光電轉換和前置放大器（193）5.3.2 線性放大器（194）5.3.3 數(shù)據恢復（195）5.4 接收機信噪比（SNR）（196）5.4.1 噪聲機理（196）5.4.2 PIN光接收機（197）5.4.3 APD接收機（198）5.4.4 光信噪比（OSNR）和信噪比（SNR）的關系（201）5.5 接收機誤碼率和靈敏度（202）5.5.1 比特誤碼率（202）5.5.2 最小平均接收光功率（205）5.5.3 光電探測器的量子限制（207）5.6 靈敏度下降機理（207）5.7 光接收機（209）5.7.1 光接收機性能（209）5.7.2 電子載流子（UTC）光接收機（210）5.7.3 陣列波導光柵（AWG）PIC多信道光接收機（210）5.7.4 107Gb/sWG-PIN行波放大PIC光接收機（211）復習思考題（213）習題（213）第6章 光放大器（215）6.1 一般概念（215）6.1.1 增益頻譜和帶寬（216）6.1.2 增益飽和（217）6.1.3 放大器噪聲（217）6.1.4 光放大器應用（219）6.2 半導體光放大器（220）6.2.1 放大器設計（220）6.2.2 行波光放大器特性（222）6.2.3 半導體光放大器的應用（225）6.3 光纖拉曼放大器（226）6.3.1 分布式光纖拉曼放大器的工作原理和特性（227）6.3.2 光纖拉曼放大器對系統(tǒng)性能的影響（232）6.3.3 光纖拉曼放大技術應用（232）6.4 摻鉺光纖放大器（233）6.4.1 摻鉺光纖結構（234）6.4.2 工作原理及其特性（235）6.4.3 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點（240）6.4.4 EDFA的應用（240）6.4.5 實用EDFA構成（241）6.5 光放大器系統(tǒng)應用（242）6.5.1 前置放大器（242）6.5.2 放大器級聯(lián)（244）復習思考題（247）習題（248）第7章 光纖傳輸系統(tǒng)（249）7.1 概述（249）7.1.1 調制（249）7.1.2 編碼（254）7.1.3 復用（257）7.2 光調制（257）7.2.1 模擬強度光調制（257）7.2.2 數(shù)字強度光調制（258）7.3 電復用光纖傳輸系統(tǒng)（259）7.3.1 頻分復用光纖傳輸系統(tǒng)（259）7.3.2 微波副載波復用（SCM）光纖傳輸系統(tǒng)（261）7.3.3 電時分復用的典型應用——SDH光纖傳輸系統(tǒng)（265）7.4 光復用光纖傳輸系統(tǒng)（270）7.4.1 波分復用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)（271）7.4.2 光時分復用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)（272）7.4.3 光碼分復用（OCDM）光纖傳輸系統(tǒng)（275）7.5 相干光波通信系統(tǒng)（277）7.5.1 相干檢測（277）7.5.2 信噪比（SNR）（279）7.5.3 相干解調方式（280）7.5.4 相干系統(tǒng)光調制（282）7.5.5 相位噪聲和相位分集接收（285）7.5.6 強度噪聲和平衡混頻接收（287）7.5.7 極化匹配和極化控制（288）7.5.8 相干實驗系統(tǒng)（289）7.6 光孤子通信實驗系統(tǒng)（290）7.6.1 基本概念（290）7.6.2 通信實驗系統(tǒng)（291）7.7 高速光纖傳輸系統(tǒng)（292）7.7.1 先進光調制制式（293）7.7.2 超強FEC糾錯（297）7.7.3 高速光纖傳輸系統(tǒng)（302）復習思考題（305）習題（306）第8章 系統(tǒng)設計（308）8.1 系統(tǒng)結構和限制（308）8.1.1 系統(tǒng)結構（308）8.1.2 損耗限制系統(tǒng)（312）8.1.3 色散限制系統(tǒng)（312）8.2 功率預算（313）8.2.1 陸地系統(tǒng)功率預算（313）8.2.2 海底光纜系統(tǒng)功率預算（315）8.3 功率代價因素（317）8.3.1 光纖模式噪聲（317）8.3.2 色散引起的脈沖展寬（318）8.3.3 激光器模式分配噪聲（319）8.3.4 LD的頻率啁啾（322）8.3.5 反射噪聲（324）8.4 帶寬設計（326）8.5 單信道光纖通信系統(tǒng)設計（328）8.5.1 模擬系統(tǒng)設計（328）8.5.2 數(shù)字系統(tǒng)設計（331）8.6 DWDM系統(tǒng)工程設計（333）8.6.1 中心頻率和信道間隔（334）8.6.2 線性串話（334）8.6.3 非線性串話（337）8.6.4 光放大器系統(tǒng)設計（340）8.6.5 光功率預算（342）8.6.6 網絡管理（343）8.6.7 網絡保護和生存對策（344）8.6.8 網絡互連（344）8.6.9 DWDM網絡信道數(shù)計算（345）復習思考題（346）習題（346）第9章 色散限制、補償和管理（348）9.1 色散引起脈沖展寬（348）9.1.1 基本傳輸方程（349）9.1.2 高斯脈沖輸入（349）9.2 色散對系統(tǒng)性能的限制（352）9.2.1 對系統(tǒng)比特速率的限制（352）9.2.2 對系統(tǒng)傳輸距離的限制（354）9.3 電子色散補償（355）9.4 前補償技術（357）9.4.1 預啁啾補償（357）9.4.2 FSK調制補償（358）9.4.3 雙二進制編碼（359）9.4.4 半導體光放大器產生啁啾補償（359）9.4.5 光纖引入啁啾（360）9.5 負色散光纖補償（360）9.5.1 傳統(tǒng)負色散光纖（DCF）補償（360）9.5.2 光子晶體光纖（PCF）補償（362）9.6 光濾波器補償（363）9.6.1 法布里-玻羅干涉濾波器（363）9.6.2 馬赫-曾德爾干涉濾波器（364）9.6.3 光纖光柵濾波器（364）9.7 相位共軛補償（368）9.8 寬帶系統(tǒng)色散補償（369）9.8.1 光時分復用系統(tǒng)色散補償（369）9.8.2 波分復用系統(tǒng)色散補償（370）9.9 色散管理（372）9.9.1 長距離系統(tǒng)色散管理（372）9.9.2 動態(tài)色散管理（373）復習思考題（375）習題（375）附錄A 部分習題答案（376）附錄B 電磁波頻率與波長的換算（379）附錄C dBm與mW換算表（379）附錄D dB值和功率比dB=101g(P2/P1)（380）附錄E 百分損耗（%）與分貝（dB）損耗換算表（380）附錄F PDH與SDH速率等級（380）附錄G ??和?v的關系（382）附錄H 物理常數(shù)（382）附錄I ITU-T關于WDM系統(tǒng)波長安排（383）附錄J 名詞術語索引（385）附錄K 例題目錄（405）參考文獻（407）

章節(jié)摘錄

　　隨著因特網的迅猛發(fā)展，通信傳輸容量迅速增大，盡管目前對：DWDM的研究方興未艾，但隨著波長間距的逐漸減小，它對光源和濾波器的要求也愈加苛刻，另外隨著復用波長數(shù)的增加，光纖中的光強越來越大，光纖非線性也越來越嚴重，所以在未來的網絡中波長資源可能出現(xiàn)匱乏。光碼分復用（Optical Code-Division－Multiplexing，OCDM）系統(tǒng)采用同一波長的擴頻序列，頻譜資源利用率高，它與WDM結合，可以大大增加系統(tǒng)容量?！　DMA或SCMA技術是不同的用戶根據預先分配給的波長或微波副載波使用網絡，其主要的優(yōu)點是用戶間尋路簡單，缺點是信道帶寬使用不是很有效，這種缺點可通過隨機多路接入技術，即在任意時間內允許用戶隨機地接入任－信道得到解決。基于頻譜展寬方法的碼分復用就是這樣的一種技術。CDM的信號頻譜比它通常傳輸所需的最小帶寬要寬得多。頻譜展寬是靠與信號本身無關的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有時也稱為地址碼。在OCDM系統(tǒng)中，給每個信道分配一個唯一的地址碼，該信道就以該密鑰作為信道的地址碼，對要傳輸?shù)臄?shù)據信息進行編碼，實現(xiàn)信道復用；接收機使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進行反變換，即進行光解碼，實現(xiàn)信道的解復用，對信號頻譜壓縮，恢復原來的數(shù)據信號。這種方法的優(yōu)點是第三方很難干擾或截獲信號。

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