光纖通信

前言

　　2009年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予被冠以“光纖之父”稱號(hào)的華人高錕，耶魯大學(xué)校長(zhǎng)在授予他“榮譽(yù)科學(xué)博士學(xué)位”的儀式上說(shuō)：“你的發(fā)明改變了世界通信模式，為信息高速公路奠下基石?！薄　∽?966年，高錕先生首次提出當(dāng)玻璃纖維的衰減率低于20dB／km時(shí)，光纖通信即可成功，1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功，1970年康寧公司生產(chǎn)出世界上第一根低損耗光纖以來(lái)，光纖通信已經(jīng)從一個(gè)研究熱點(diǎn)成為強(qiáng)大的商業(yè)實(shí)體。光纖通信已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用，與現(xiàn)存的銅線應(yīng)用及無(wú)線通信系統(tǒng)共同構(gòu)建了目前的信息基本構(gòu)架。　　光纖通信具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，主要用于市話中繼線、長(zhǎng)途干線通信、全球通信網(wǎng)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)（如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線），還用于高質(zhì)量彩色電視傳輸、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和調(diào)度、交通監(jiān)視控制指揮、城鎮(zhèn)有線電視網(wǎng)、光纖局域網(wǎng)，以及其他如在飛機(jī)內(nèi)、艦艇內(nèi)、礦井下、電力部門(mén)、軍事、有腐蝕和輻射等特殊場(chǎng)合中使用。　　目前，以光纖通信為題材的書(shū)籍很多，本書(shū)在試圖降低難度的同時(shí)，盡可能省略冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，用物理概念對(duì)理論結(jié)果加以解釋。本書(shū)的內(nèi)容既注重新知識(shí)、新技術(shù)的展現(xiàn)，又注重將基礎(chǔ)知識(shí)用清晰簡(jiǎn)潔的物理概念加以說(shuō)明。面對(duì)未來(lái)無(wú)止境的通信帶寬需求，本書(shū)的內(nèi)容仍具有參考和實(shí)用價(jià)值?！　”緯?shū)可作為電氣信息類相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生的教材，也可供研究生選讀。本書(shū)的原稿是以我們多年從事光纖通信課程的講稿為基礎(chǔ)寫(xiě)成的，本課程的參考學(xué)時(shí)是40～60學(xué)時(shí)。本書(shū)共分6章：第l章“概述”，介紹了光纖通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)介紹了光纖通信的整個(gè)發(fā)展歷程；第2章“光纖傳輸理論”；第3章“光源與光發(fā)送機(jī)”，從光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)人手，概括了激光器的基本結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生激光的條件，然后介紹了光源的調(diào)制方式和光發(fā)送機(jī)的結(jié)構(gòu)和特性；第4章“光檢測(cè)器與光接收機(jī)”，說(shuō)明了光檢測(cè)器的工作原理和結(jié)構(gòu)、光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和特性，并分析了光纖通信中的碼型；第5章“光纖通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)”，主要介紹了光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)源光器件、光放大器、sDH技術(shù)和光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)；第6章“光纜的接續(xù)與測(cè)試”，介紹了光纜的結(jié)構(gòu)和種類，討論了工程實(shí)踐中光纖接續(xù)的方式、光纖熔接機(jī)結(jié)構(gòu)及一些實(shí)用的光纖測(cè)量技術(shù)等?！　”緯?shū)由李麗君、徐文云任主編，姚軍任副主編。第1～3章由李麗君編寫(xiě)，第4、6章由徐文云編寫(xiě)，第5章由姚軍編寫(xiě)。丁慶安參與了第3章第6節(jié)的編寫(xiě)工作。喬秋曉、曹瑩為打印和校對(duì)書(shū)稿做了許多工作。在此一并表示感謝。

內(nèi)容概要

本書(shū)從當(dāng)前的教學(xué)改革出發(fā)，以開(kāi)拓學(xué)生的視野為目標(biāo)，在注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)工程理論的興趣的同時(shí)，特別注意對(duì)學(xué)生的人文關(guān)懷，循序漸進(jìn)出地闡述光纖通信的基礎(chǔ)理論和新知識(shí)、新技術(shù)。恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)入案例和閱讀材料增強(qiáng)了本書(shū)的閱讀感，用物理概念對(duì)理論結(jié)果加以解釋降低了本書(shū)的難度，豐富的題型強(qiáng)化了書(shū)中的知識(shí)點(diǎn)。    本書(shū)適用面較廣，可作為電氣信息類相關(guān)專業(yè)的本科生和工科類其他各專業(yè)的教材，還可供從事光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的技術(shù)人員學(xué)習(xí)、工作的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章  概述  1.1 光纖通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)    1.1.1 光纖通信的概念及當(dāng)前光纖通信基本系統(tǒng)    1.1.2 光纖通信關(guān)鍵技術(shù)  1.2 光纖通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)  1.3 光纖通信的發(fā)展歷程    1.3.1 光通信技術(shù)的逐年進(jìn)步    1.3.2 光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀及展望  小結(jié)  習(xí)題第2章  光纖傳輸理論  2.1 光纖的基本概念    2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)    2.1.2 光纖的分類    2.1.3 光纖中的光傳輸  2.2 基本波導(dǎo)方程    2.2.1 波動(dòng)方程    2.2.2 亥姆霍茲方程    2.2.3 基本波導(dǎo)方程概述  2.3 階躍折射率光纖的模式理論    2.3.1 圓柱坐標(biāo)系中的波導(dǎo)方程    2.3.2 纖芯中的場(chǎng)分布    2.3.3 包層中的場(chǎng)分布    2.3.4 截止頻率的計(jì)算式    2.3.5 能夠在光纖中存在的導(dǎo)模及其特征方程    2.3.6 各模式的截止頻率及光纖的單模條件    2.3.7 LP模  2.4 單模光纖    2.4.1 單模光纖如何工作    2.4.2 衰減    2.4.3 色散和帶寬  2.5 漸變折射率光纖的近似分析  2.6 光纖的非線性效應(yīng)    2.6.1 非線性效應(yīng)的產(chǎn)生    2.6.2 受激散射    2.6.3 非線性效應(yīng)的重要性  小結(jié)  習(xí)題第3章  光源與光發(fā)送機(jī)  3.1 光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)    3.1.1 光的波動(dòng)理論與光子學(xué)說(shuō)    3.1.2 同體的能帶  3.2 激光器工作原理    3.2.1 光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)過(guò)程    3.2.2 介質(zhì)中的光增益    3.2.3 光在介質(zhì)中的吸收和放大    3.2.4 光學(xué)諧振腔    3.2.5 光譜線形狀和寬度    3.2.6 閾值條件    3.2.7 激光器的振蕩模式  3.3 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)及半導(dǎo)體激光器    3.3.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)與能帶圖    3.3.2 半導(dǎo)體產(chǎn)生光增益的條件    3.3.3 P—N結(jié)    3.3.4 半導(dǎo)體激光器  3.4 通信中常用光源及其工作特性    3.4.1 發(fā)光二極管    3.4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性  3.5 光源的調(diào)制    3.5.1 光源的兩種調(diào)制方式    3.5.2 光源的直接調(diào)制    3.5.3 LD數(shù)字調(diào)制過(guò)程的瞬態(tài)分析    3.5.4 電光效應(yīng)    3.5.5 電光調(diào)制    3.5.6 聲光調(diào)制    3.5.7 磁光調(diào)制  3.6 光發(fā)射機(jī)    3.6.1 光發(fā)射機(jī)的功能    3.6.2 光發(fā)射機(jī)基本框圖    3.6.3 光發(fā)送電路基本組成和主要性能指標(biāo)  小結(jié)  習(xí)題第4章  光檢測(cè)器與光接收機(jī)  4.1 光檢測(cè)器    4.1.1 光電二極管的工作原理和響應(yīng)波長(zhǎng)    4.1.2 PIN光電二極管    4.1.3 雪崩光電二極管    4.1.4 光檢測(cè)器的主要參數(shù)  4.2 光接收機(jī)的組成和主要性能指標(biāo)    4.2.1 光接收機(jī)的組成及各部分功能    4.2.2 光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)  4.3 光接收機(jī)的噪聲    4.3.1 光接收機(jī)噪聲的來(lái)源    4.3.2 光檢測(cè)器的噪聲    4.3.3 熱噪聲  4.4 誤碼率和靈敏度的計(jì)算    4.4.1 誤碼率的計(jì)算    4.4.2 靈敏度的計(jì)算  4.5 光纖通信中的線路碼型    4.5.1 碼型轉(zhuǎn)換的原因    4.5.2 碼型應(yīng)滿足的主要要求    4.5.3 光纖通信中的常用碼型  小結(jié)  習(xí)題第5章  光纖通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)  5.1 無(wú)源光器件和WDM技術(shù)    5.1.1 無(wú)源光器件    5.1.2 WDM光纖傳輸系統(tǒng)  5.2 比放大器    5.2.1 半導(dǎo)體光放大器    5.2.2 摻鉺光纖放大器  5.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)    5.3.1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的組成    5.3.2 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)性能及其測(cè)試  5.4 光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)    5.4.1 SDH的幀結(jié)構(gòu)    5.4.2 SDH的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)    5.4.3 SDH傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)  5.5 光纖通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)    5.5.1 系統(tǒng)的總體考慮    5.5.2 功率預(yù)算和色散預(yù)算    5.5.3 功率代價(jià)因素    5.5.4 SDH自愈環(huán)網(wǎng)原理    5.5.5 SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸性能  小結(jié)  習(xí)題第6章  光纜的接續(xù)與測(cè)試  6.1 光纜的結(jié)構(gòu)和種類    6.1.1 光纜的結(jié)構(gòu)    6.1.2 光纜的種類    6.1.3 光纜的型號(hào)和規(guī)格  6.2 光纖的接續(xù)    6.2.1 光纖接續(xù)的方式及要求    6.2.2 造成光纖接續(xù)損耗的主要因素  6.3 光纖熔接機(jī)    6.3.1 光纖熔接機(jī)的種類    6.3.2 光纖熔接機(jī)的組成  6.4 光纖的熔接實(shí)例    6.4.1 單芯光纖的熔接實(shí)例    6.4.2 多芯帶狀光纖的熔接實(shí)例  6.5 光纜的接續(xù)    6.5.1 光纜接續(xù)的基本要求    6.5.2 光纜接續(xù)的方法與步驟  6.6 光纜成端    6.6.1 無(wú)人中間站的光纜成端    6.6.2 局內(nèi)光纜的成端  6.7 光纜的測(cè)試    6.7.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及層次    6.7.2 常用測(cè)試儀表    6.7.3 損耗測(cè)量    6.7.4 色散測(cè)量  小結(jié)  習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　現(xiàn)代光通信可以說(shuō)以激光器的發(fā)明為標(biāo)志，雖然直到現(xiàn)在為止，光通信系統(tǒng)使用的光源仍然有用非激光光源（發(fā)光二極管）的?！　?0世紀(jì)60年代初激光器被發(fā)明（開(kāi)始是同體激光器，后來(lái)有氣體激光器，半導(dǎo)體激光器等）。有了激光器以后，人們開(kāi)始了利用激光器作光源進(jìn)行光通信的研究，這是現(xiàn)代光通信與原始光通信的分界線。通信容量（速率）仍是關(guān)鍵問(wèn)題。有了激光器，數(shù)據(jù)傳輸速率不是每秒比特，而是每秒吉（千兆）比特（1Gb／s），或每秒10吉（萬(wàn)兆）比特（10Gb／s）、40Gb／s，甚至更高?！　?0世紀(jì)60年代到70年代初，人們主要研究大氣光通信。光源主要使用CO2激光器。由于空氣不是理想的光傳輸介質(zhì)，受空氣中的水汽（霧）、雨雪和灰沙的影響，光信號(hào)被散射、吸收，以致傳輸距離很短，在惡劣氣候的條件下，光僅能傳播百米量級(jí)?！　〈髿夤馔ㄐ烹m然在機(jī)動(dòng)性、靈活性方面具有優(yōu)勢(shì)，適合于大氣層視距范圍、星際之間、水下等特殊場(chǎng)合的通信，但用于長(zhǎng)距離的陸地和海底通信顯然不理想。然而光通信的許多優(yōu)點(diǎn)驅(qū)使人們進(jìn)一步探索光波新的傳輸介質(zhì)?！　榱丝朔髿鈱?duì)激光束的影響，人們將光波在大氣中的傳輸轉(zhuǎn)移到地下，如在金屬或水泥管道內(nèi)每隔一段距離安放一個(gè)反射鏡，通過(guò)反射鏡的反射使光波限制在管道內(nèi)向前傳輸。這種方法雖然克服了大氣對(duì)激光束的影響，但需要擺放許多反射鏡，給實(shí)際的施工、維護(hù)帶來(lái)諸多不便，而且每反射一次，光能就損耗一次，經(jīng)過(guò)多次反射之后光能迅速降低，傳輸距離受到限制。與之類似的方法還有將反射鏡換成透鏡，這些方法雖然理論上是可行的，但無(wú)實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。由于光通信在地上（大氣光通信）和地下（反射鏡傳送）都不能理想的傳送光波，因而其發(fā)展由于傳輸介質(zhì)問(wèn)題而出現(xiàn)了低潮?！　」饫w通信的實(shí)現(xiàn)可以說(shuō)使光通信柳暗花明。下面所述的兩個(gè)技術(shù)上的突破使光纖通信得以實(shí)現(xiàn)，并在以后的時(shí)期飛速發(fā)展。　　……

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