光纖通信

前言

　　早在1966年，英籍華人高錕發(fā)表了關(guān)于通信傳輸新介質(zhì)的論文，指出利用玻璃纖維進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。在此后短短的40多年中，光纖的損耗由當(dāng)時(shí)的3000dB／km已經(jīng)降低到目前的0.151dB／km。在光纖損耗降低的同時(shí)，光纖通信所用的光源、探測(cè)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(jìn)展。自20世紀(jì)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(shù)選擇。由于高錕在開創(chuàng)光纖通信歷史上的卓越貢獻(xiàn)，1998年IEE授予他榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)拢挥钟捎诟咤K在用光學(xué)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(xué)院特授予他2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！　∧壳?，無論電信骨干網(wǎng)還是用戶接入網(wǎng)，無論陸地通信網(wǎng)還是海底通信網(wǎng)，無論看電視還是打電話，光纖無處不在，無時(shí)不用，光纖傳輸技術(shù)隨時(shí)隨地都能碰到。所以對(duì)于從事信息技術(shù)的人員來講，了解光纖通信技術(shù)是至關(guān)重要的?！　　豆饫w通信》（第2版）2006年出版以來，由于該書內(nèi)容全、素材新，概念解釋清楚，分析深入淺出，敘述通俗易懂，簡(jiǎn)明扼要，圖文并茂，注重實(shí)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(duì)第2版中的許多內(nèi)容，根據(jù)光纖通信的最新進(jìn)展進(jìn)行了增刪和修訂?！　≡诘?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(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)的一般介紹。　　在第2章中，根據(jù)。ITU-TSG15組光纖標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展情況，增加了G656全波光纖和Ct657接入網(wǎng)用光纖的內(nèi)容，并對(duì)G652～G655幾種光纖指標(biāo)的最新變化進(jìn)行了修訂?！　≡诘?章中，刪除了一些不常用的內(nèi)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(fù)用器、介質(zhì)薄膜干涉濾波解復(fù)用器、熔拉雙錐耦合波分復(fù)用器、耦合波導(dǎo)調(diào)制器和光開關(guān)、聲光調(diào)制器、聲光開關(guān)。在對(duì)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用／解復(fù)用器進(jìn)一步介紹的基礎(chǔ)上，增加了AWG濾波器和AWG可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）。對(duì)目前常用的Q=PSK光調(diào)制器和偏振復(fù)用器件進(jìn)行了介紹，對(duì)現(xiàn)在研究的熱門課題將來很有發(fā)展前途的磁光波導(dǎo)光隔離器也作了較詳細(xì)的描述?！　≡诘?章中，刪除了光發(fā)射機(jī)常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、光頻穩(wěn)定及其控制電路，同時(shí)也刪除了沒有發(fā)展前途的光纖激光器等內(nèi)容，增加了平面波導(dǎo)集成（PLC）電吸收調(diào)制激光器（E／VML）和目前開發(fā)出的高速光發(fā)射機(jī)電路，如單芯片40個(gè)信道的40x40Gb／sWDM光發(fā)送機(jī)，同時(shí)還增加了很有發(fā)展前途的PLC波長(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光器（LD）方面的內(nèi)容，如耦合腔波長(zhǎng)可調(diào)LD、衍射光柵波長(zhǎng)可調(diào)LD、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）波長(zhǎng)可調(diào)LD和AWG多頻激光器等。

內(nèi)容概要

　　在第2版的基礎(chǔ)上，根據(jù)光纖通信技術(shù)的最新進(jìn)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(shù)，內(nèi)容包括光纖通信基礎(chǔ)，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(fù)用（SCM）系統(tǒng)，電時(shí)分復(fù)用的典型應(yīng)用SDH系統(tǒng)，光時(shí)分、光波分和光碼分復(fù)用系統(tǒng)，以及近來又受到關(guān)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(shè)計(jì)所必須考慮的幾個(gè)問題；最后闡明了光纖色散對(duì)系統(tǒng)性能的限制和人們對(duì)色散補(bǔ)償管理的方法?！　榱私處熀凸こ碳夹g(shù)人員電子教學(xué)和培訓(xùn)的需要，這次再版將免費(fèi)提供各章的電子教學(xué)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(xùn)教材使用，對(duì)于從事光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)研究、教學(xué)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、使用、管理和維護(hù)的有關(guān)人員也具有很好的參考價(jià)值。

書籍目錄

第1章 概述（1）1.1 光纖通信技術(shù)發(fā)展（1）1.1.1 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)（3）1.1.2 光傳送網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)（5）1.1.3 通信網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)（7）1.2 光波基礎(chǔ)（8）1.2.1 光的本質(zhì)（8）1.2.2 均勻介質(zhì)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(zhì)的相互作用（15）1.3.1 斯奈爾定律和全反射（15）1.3.2 內(nèi)/外反射、抗反射膜和電介質(zhì)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(zhì)中的傳輸（33）1.3.9 非線性光學(xué)效應(yīng)（36）1.4 平面介質(zhì)波導(dǎo)（37）1.4.1 波導(dǎo)條件（37）1.4.2 單模和多模波導(dǎo)（39）復(fù)習(xí)思考題（39）習(xí)題（40）第2章 光纖和光纜（42）2.1 光纖結(jié)構(gòu)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(xué)效應(yīng)（71）2.4 單模光纖的進(jìn)展和應(yīng)用（74）2.4.1 G.6 52標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)用光纖（78）2.4.7 色散補(bǔ)償光纖（79）2.5 光纖的選擇（80）2.6 光纜（81）2.6.1 對(duì)光纜的基本要求（81）2.6.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型（82）2.6.3 海底光纜（84）2.7 光纖傳輸特性測(cè)量（87）2.7.1 損耗測(cè)量（87）2.7.2 帶寬測(cè)量（89）2.7.3 色散測(cè)量（89）復(fù)習(xí)思考題（90）習(xí)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(dòng)連接器結(jié)構(gòu)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(dǎo)光柵（AWG）星形耦合器（97）3.3 可調(diào)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(dǎo)光柵（AWG）濾波器（105）3.3.5 調(diào)諧濾波器性能比較（107）3.4 波分復(fù)用/解復(fù)用器（108）3.4.1 棱鏡復(fù)用/解復(fù)用器（108）3.4.2 衍射光柵解復(fù)用器（109）3.4.3 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用/解復(fù)用器（110）3.4.4 馬赫-曾德爾（M-Z）干涉濾波器復(fù)用/解復(fù)用器（111）3.5 調(diào)制器（112）3.5.1 電光調(diào)制器（MZM）（113）3.5.2 電吸收波導(dǎo)調(diào)制器（EAM）（117）3.5.3 QPSK光調(diào)制器（118）3.6 光開關(guān)（120）3.6.1 MEMS微機(jī)械光開關(guān)（120）3.6.2 電光開關(guān)（121）3.6.3 熱光開關(guān)（TOS）（122）3.6.4 磁光開關(guān)（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(dǎo)光隔離器（126）3.8 光環(huán)行器（129）3.9 光分插復(fù)用器（OADM）（130）3.9.1 一般概念（130）3.9.2 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）光分插復(fù)用器（130）3.9.3 可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）（132）3.9.4 波長(zhǎng)選擇交換（WSS）ROADM（134）3.10 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（135）3.11 偏振復(fù)用器件（137）復(fù)習(xí)思考題（138）習(xí)題（138）第4章 光源和光發(fā)射機(jī)（139）4.1 概述（139）4.2 發(fā)光機(jī)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(dǎo)體激光器（149）4.3.1 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)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(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光器（155）4.4.1 耦合腔波長(zhǎng)可調(diào)半導(dǎo)體激光器（155）4.4.2 衍射光柵PIC波長(zhǎng)可調(diào)激光器（159）4.4.3 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC波長(zhǎng)可調(diào)激光器（160）4.5 垂直腔表面發(fā)射激光器（163）4.6 半導(dǎo)體激光器的特性（164）4.6.1 半導(dǎo)體激光器的基本特性（164）4.6.2 模式特性（169）4.6.3 調(diào)制響應(yīng)（169）4.6.4 噪聲（173）4.7 高速光發(fā)射機(jī)（174）復(fù)習(xí)思考題（175）習(xí)題（176）第5章 光探測(cè)和光接收機(jī)（177）5.1 光探測(cè)原理（177）5.2 光電探測(cè)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(yīng)帶寬（182）5.2.4 新型APD結(jié)構(gòu)（184）5.2.5 MSM光電探測(cè)器（186）5.2.6 單行載流子光電探測(cè)器（UTC-PD）（187）5.2.7 波導(dǎo)光電探測(cè)器（WG-PD）（189）5.2.8 行波探測(cè)器（TW-PD）（190）5.3 數(shù)字光接收機(jī)（192）5.3.1 光電轉(zhuǎn)換和前置放大器（193）5.3.2 線性放大器（194）5.3.3 數(shù)據(jù)恢復(fù)（195）5.4 接收機(jī)信噪比（SNR）（196）5.4.1 噪聲機(jī)理（196）5.4.2 PIN光接收機(jī)（197）5.4.3 APD接收機(jī)（198）5.4.4 光信噪比（OSNR）和信噪比（SNR）的關(guān)系（201）5.5 接收機(jī)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(cè)器的量子限制（207）5.6 靈敏度下降機(jī)理（207）5.7 光接收機(jī)（209）5.7.1 光接收機(jī)性能（209）5.7.2 電子載流子（UTC）光接收機(jī)（210）5.7.3 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC多信道光接收機(jī)（210）5.7.4 107Gb/sWG-PIN行波放大PIC光接收機(jī)（211）復(fù)習(xí)思考題（213）習(xí)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(yīng)用（219）6.2 半導(dǎo)體光放大器（220）6.2.1 放大器設(shè)計(jì)（220）6.2.2 行波光放大器特性（222）6.2.3 半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)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(duì)系統(tǒng)性能的影響（232）6.3.3 光纖拉曼放大技術(shù)應(yīng)用（232）6.4 摻鉺光纖放大器（233）6.4.1 摻鉺光纖結(jié)構(gòu)（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(diǎn)（240）6.4.4 EDFA的應(yīng)用（240）6.4.5 實(shí)用EDFA構(gòu)成（241）6.5 光放大器系統(tǒng)應(yīng)用（242）6.5.1 前置放大器（242）6.5.2 放大器級(jí)聯(lián)（244）復(fù)習(xí)思考題（247）習(xí)題（248）第7章 光纖傳輸系統(tǒng)（249）7.1 概述（249）7.1.1 調(diào)制（249）7.1.2 編碼（254）7.1.3 復(fù)用（257）7.2 光調(diào)制（257）7.2.1 模擬強(qiáng)度光調(diào)制（257）7.2.2 數(shù)字強(qiáng)度光調(diào)制（258）7.3 電復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（259）7.3.1 頻分復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（259）7.3.2 微波副載波復(fù)用（SCM）光纖傳輸系統(tǒng)（261）7.3.3 電時(shí)分復(fù)用的典型應(yīng)用——SDH光纖傳輸系統(tǒng)（265）7.4 光復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)（270）7.4.1 波分復(fù)用（WDM）光纖傳輸系統(tǒng)（271）7.4.2 光時(shí)分復(fù)用（OTDMA）光纖傳輸系統(tǒng)（272）7.4.3 光碼分復(fù)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(cè)（277）7.5.2 信噪比（SNR）（279）7.5.3 相干解調(diào)方式（280）7.5.4 相干系統(tǒng)光調(diào)制（282）7.5.5 相位噪聲和相位分集接收（285）7.5.6 強(qiáng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（289）7.6 光孤子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（290）7.6.1 基本概念（290）7.6.2 通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（291）7.7 高速光纖傳輸系統(tǒng)（292）7.7.1 先進(jìn)光調(diào)制制式（293）7.7.2 超強(qiáng)FEC糾錯(cuò)（297）7.7.3 高速光纖傳輸系統(tǒng)（302）復(fù)習(xí)思考題（305）習(xí)題（306）第8章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（308）8.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和限制（308）8.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（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(yù)算（313）8.2.1 陸地系統(tǒng)功率預(yù)算（313）8.2.2 海底光纜系統(tǒng)功率預(yù)算（315）8.3 功率代價(jià)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(shè)計(jì)（326）8.5 單信道光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（328）8.5.1 模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)（328）8.5.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（331）8.6 DWDM系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)（340）8.6.5 光功率預(yù)算（342）8.6.6 網(wǎng)絡(luò)管理（343）8.6.7 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和生存對(duì)策（344）8.6.8 網(wǎng)絡(luò)互連（344）8.6.9 DWDM網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)計(jì)算（345）復(fù)習(xí)思考題（346）習(xí)題（346）第9章 色散限制、補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)性能的限制（352）9.2.1 對(duì)系統(tǒng)比特速率的限制（352）9.2.2 對(duì)系統(tǒng)傳輸距離的限制（354）9.3 電子色散補(bǔ)償（355）9.4 前補(bǔ)償技術(shù)（357）9.4.1 預(yù)啁啾補(bǔ)償（357）9.4.2 FSK調(diào)制補(bǔ)償（358）9.4.3 雙二進(jìn)制編碼（359）9.4.4 半導(dǎo)體光放大器產(chǎn)生啁啾補(bǔ)償（359）9.4.5 光纖引入啁啾（360）9.5 負(fù)色散光纖補(bǔ)償（360）9.5.1 傳統(tǒng)負(fù)色散光纖（DCF）補(bǔ)償（360）9.5.2 光子晶體光纖（PCF）補(bǔ)償（362）9.6 光濾波器補(bǔ)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(bǔ)償（368）9.8 寬帶系統(tǒng)色散補(bǔ)償（369）9.8.1 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償（369）9.8.2 波分復(fù)用系統(tǒng)色散補(bǔ)償（370）9.9 色散管理（372）9.9.1 長(zhǎng)距離系統(tǒng)色散管理（372）9.9.2 動(dòng)態(tài)色散管理（373）復(fù)習(xí)思考題（375）習(xí)題（375）附錄A 部分習(xí)題答案（376）附錄B 電磁波頻率與波長(zhǎng)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(jí)（380）附錄G ??和?v的關(guān)系（382）附錄H 物理常數(shù)（382）附錄I ITU-T關(guān)于WDM系統(tǒng)波長(zhǎng)安排（383）附錄J 名詞術(shù)語索引（385）附錄K 例題目錄（405）參考文獻(xiàn)（407）

章節(jié)摘錄

　　隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展，通信傳輸容量迅速增大，盡管目前對(duì)：DWDM的研究方興未艾，但隨著波長(zhǎng)間距的逐漸減小，它對(duì)光源和濾波器的要求也愈加苛刻，另外隨著復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)的增加，光纖中的光強(qiáng)越來越大，光纖非線性也越來越嚴(yán)重，所以在未來的網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)資源可能出現(xiàn)匱乏。光碼分復(fù)用（Optical Code-Division－Multiplexing，OCDM）系統(tǒng)采用同一波長(zhǎng)的擴(kuò)頻序列，頻譜資源利用率高，它與WDM結(jié)合，可以大大增加系統(tǒng)容量?！　DMA或SCMA技術(shù)是不同的用戶根據(jù)預(yù)先分配給的波長(zhǎng)或微波副載波使用網(wǎng)絡(luò)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是用戶間尋路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是信道帶寬使用不是很有效，這種缺點(diǎn)可通過隨機(jī)多路接入技術(shù)，即在任意時(shí)間內(nèi)允許用戶隨機(jī)地接入任－信道得到解決。基于頻譜展寬方法的碼分復(fù)用就是這樣的一種技術(shù)。CDM的信號(hào)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(hào)本身無關(guān)的一種編碼來完成的。稱頻譜展寬碼為特征碼或密鑰，有時(shí)也稱為地址碼。在OCDM系統(tǒng)中，給每個(gè)信道分配一個(gè)唯一的地址碼，該信道就以該密鑰作為信道的地址碼，對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用；接收機(jī)使用與發(fā)送端相同的編碼規(guī)則進(jìn)行反變換，即進(jìn)行光解碼，實(shí)現(xiàn)信道的解復(fù)用，對(duì)信號(hào)頻譜壓縮，恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是第三方很難干擾或截獲信號(hào)。

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