光纖通信

目 錄
第1章 光纖通信概述 1
1.1 光通信的發展原因 2
1.1.1 光網絡的發展歷程 2
1.1.2 光纖的優點 2
1.2 光頻譜帶 3
1.2.1 電磁能量譜 3
1.2.2 工作窗口和光頻帶 5
1.3 分貝單位 6
1.4 數字復用技術 9
1.4.1 基本的電信信號復用 9
1.4.2 SONET/SDH復用體系 11
1.4.3 光傳送網(OTN) 12
1.5 波長通道復用 12
1.5.1 WDM概述 12
1.5.2 偏振復用 13
1.5.3 多芯光纖 13
1.6 光纖通信系統的基本組件 13
1.7 光通信網絡的演進 15
1.8 光纖通信標準 16
1.9 小結 17
習題 17
習題解答(選) 19
原著參考文獻 19
第2章 光纖：結構、導波原理和製造 22
2.1 光的性質 22
2.1.1 偏振 23
2.1.2 線偏振 24
2.1.3 橢圓偏振和圓偏振 25
2.1.4 光的量子特性 26
2.2 基本的光學定律和定義 27
2.2.1 折射率的概念 27
2.2.2 反射和折射基礎 28
2.2.3 光的偏振特性 30
2.2.4 偏振敏感材料 30
2.3 光纖模式和結構 32
2.3.1 傳統的光纖分類 32
2.3.2 光射線和模式 34
2.3.3 階躍折射率光纖結構 34
2.3.4 射線光學描述 35
2.3.5 介質平板波導中的光波 37
2.4 圓波導的模式理論 38
2.4.1 模式概述 38
2.4.2 截止波長和參數V 39
2.4.3 階躍折射率光纖中的光功率 41
2.4.4 線偏振模 42
2.5 單模光纖 43
2.5.1 SMF結構 43
2.5.2 模場直徑 44
2.5.3 雙折射的起源 45
2.5.4 有效折射率 46
2.6 梯度折射率(GI)光纖的結構 46
2.6.1 GI光纖的纖芯結構 46
2.6.2 梯度折射率光纖的數值孔徑 46
2.6.3 梯度折射率光纖的截止條件 47
2.7 光纖材料 48
2.7.1 玻璃光纖 48
2.7.2 標準光纖製造 49
2.7.3 有源玻璃光纖 49
2.7.4 塑料光纖 50
2.8 光子晶體光纖(PCF)概念 50
2.8.1 折射率導引PCF 50
2.8.2 光子帶隙光纖 51
2.9 光纜 51
2.9.1 光纜結構 52
2.9.2 室內光纜類型 53
2.9.3 室外光纜類型 54
2.10 小結 54
附錄：菲涅耳方程 55
習題 57
習題解答(選) 58
原著參考文獻 59
第3章 衰減和色散 62
3.1 衰減 62
3.1.1 衰減單位 62
3.1.2 光功率的吸收 64
3.1.3 光纖中的散射損耗 67
3.1.4 彎曲損耗 68
3.1.5 纖芯和包層的損耗 70
3.2 光纖中的信號畸變 71
3.2.1 色散概述 71
3.2.2 模式時延效應 73
3.2.3 色散起因 74
3.2.4 群時延 75
3.2.5 材料色散 76
3.2.6 波導色散 78
3.2.7 單模光纖中的色散 78
3.2.8 偏振模色散 79
3.3 單模光纖的設計和性能 81
3.3.1 折射率剖面 81
3.3.2 截止波長的概念 83
3.3.3 色散計算標準 84
3.3.4 模場直徑的定義 86
3.3.5 單模光纖中的彎曲損耗 86
3.4 國際標準ITU-T的光纖標準 87
3.4.1 G.651.1建議 87
3.4.2 G.652建議 88
3.4.3 G.653建議 88
3.4.4 G.654建議 89
3.4.5 G.655建議 89
3.4.6 G.656建議 89
3.4.7 G.657建議 89
3.5 特種光纖的設計和使用 90
3.6 多芯光纖 92
3.7 小結 92
習題 93
習題解答(選) 94
原著參考文獻 95
第4章 光源 97
4.1 半導體物理學基礎 98
4.1.1 半導體能帶 98
4.1.2 本徵材料和非本徵材料 100
4.1.3 pn結 101
4.1.4 直接帶隙和間接帶隙 102
4.1.5 半導體器件的製造 103
4.2 發光二極管(LED)的原理 103
4.2.1 LED的結構 104
4.2.2 光源的半導體材料 106
4.2.3 LED的量子效率和輸出功率 109
4.2.4 LED的響應時間 111
4.3 半導體激光器 113
4.3.1 半導體激光器的模式和閾值條件 114
4.3.2 半導體激光器的速率方程 120
4.3.3 外微分量子效率 121
4.3.4 激光器的諧振頻率 121
4.3.5 激光二極管的結構和輻射場型分佈 123
4.3.6 單模激光器 123
4.3.7 半導體激光器的調制 126
4.3.8 激光器輸出譜寬 127
4.3.9 外調制 128
4.3.10 激光器閾值的溫度特性 129
4.4 光源的輸出線性特性 131
4.5 小結 133
習題 133
習題解答(選) 137
原著參考文獻 137
第5章 光功率耦合 139
5.1 光源至光纖的功率耦合 139
5.1.1 光源的輻射圈 140
5.1.2 功率耦合計算 141
5.1.3 發射功率與波長的關系 144
5.1.4 穩態數值孔徑 145
5.2 改善耦合的透鏡結構 146
5.3 光纖與光纖的連接 148
5.3.1 機械對準誤差 149
5.3.2 光纖差異損耗 154
5.3.3 單模光纖損耗 155
5.3.4 光纖端面制備 156
5.4 小結 157
習題 158
習題解答(選) 159
原著參考文獻 159
第6章 光檢測器 161
6.1 光電二極管的物理原理 161
6.1.1 pin光電二極管 161
6.1.2 雪崩光電二極管 166
6.2 光檢測器噪聲 167
6.2.1 信噪比 167
6.2.2 噪聲源 167
6.2.3 信噪比受限 169
6.2.4 噪聲等效功率 170
6.3 光電二極管的響應時間 171
6.3.1 耗盡層光電流 171
6.3.2 響應時間特性 172
6.4 光檢測器比較 174
6.5 小結 175
習題 176
習題解答(選) 177
原著參考文獻 178
第7章 光接收機 179
7.1 接收機工作的基本原理 180
7.1.1 數字信號傳輸 180
7.1.2 誤碼源 181
7.1.3 接收機前置放大器 183
7.2 數字接收機性能 184
7.2.1 誤碼率的確定 185
7.2.2 接收機靈敏度 189
7.2.3 量子極限 191
7.3 眼圖原理 191
7.3.1 眼圖的特徵 192
7.3.2 BER和Q因子測量 193
7.4 突發模式接收機 194
7.5 模擬接收機的性能 196
7.6 小結 199
習題 200
習題解答(選) 201
原著參考文獻 201
第8章 數字光纖鏈路 204
8.1 基本的光纖鏈路 204
8.1.1 傳輸信號格式 206
8.1.2 鏈路設計中的考慮 207
8.1.3 鏈路功率預算 208
8.1.4 展寬時間預算 211
8.1.5 短波長上的傳輸 214
8.1.6 單模光纖鏈路的損耗限制 215
8.2 功率代價 216
8.2.1 色度色散的功率代價 217
8.2.2 偏振模色散(PMD)的功率代價 218
8.2.3 消光比功率代價 219
8.2.4 模式噪聲功率代價 219
8.2.5 模分配噪聲引起的功率代價 220
8.2.6 啁啾引起的功率代價 221
8.2.7 反射噪聲引起的鏈路不穩定 222
8.3 差錯檢測和控制 223
8.3.1 誤碼檢測概念 224
8.3.2 線性檢錯碼 224
8.3.3 多項式碼的誤碼檢測 225
8.3.4 利用冗餘位糾錯 227
8.4 相乾檢測 228
8.4.1 基本概念 228
8.4.2 零差檢測 230
8.4.3 外差檢測 230
8.4.4 相乾檢測的SNR 230
8.4.5 相乾檢測誤碼率比較 231
8.5 高階光調制方式 235
8.5.1 頻譜效率 235
8.5.2 相移鍵控和IQ調制 235
8.5.3 差分四相移鍵控(DQPSK) 236
8.5.4 正交幅度調制(QAM) 236
8.6 小結 237
習題 238
習題解答(選) 240
原著參考文獻 241
第9章 模擬鏈路 244
9.1 模擬鏈路的基本組成 244
9.2 載噪比的概念 245
9.2.1 載波功率 246
9.2.2 光檢測器和前置放大器的噪聲 246
9.2.3 相對強度噪聲(RIN) 247
9.2.4 C/N極限條件 248
9.3 多通道幅度調制 249
9.4 無雜散動態範圍 251
9.5 光載射頻鏈路 252
9.6 微波光子學 253
9.7 小結 253
習題 254
習題解答(選) 254
原著參考文獻 255
第10章 WDM概念和光器件 257
10.1 WDM概述 257
10.1.1 WDM的工作原理 257
10.1.2 WDM標準 260
10.2 無源光耦合器 261
10.2.1 2×2光纖耦合器 262
10.2.2 散射矩陣表示法 266
10.2.3 2×2波導耦合器 267
10.2.4 星形耦合器 270
10.2.5 馬赫-曾德爾乾涉技術 272
10.3 單向隔離器和環形器 274
10.3.1 光隔離器的功能 275
10.3.2 光環形器 276
10.4 光纖光柵濾波器 276
10.4.1 光柵基礎 276
10.4.2 光纖布拉格光柵 277
10.4.3 FBG的應用 279
10.5 介質薄膜濾波器 280
10.5.1 標準具理論 281
10.5.2 TFF的應用 283
10.6 陣列波導器件 284
10.7 衍射光柵在WDM中的應用 287
10.8 小結 288
習題 288
習題解答(選) 290
原著參考文獻 291
第11章 光放大器 293
11.1 光放大器的基本應用和分類 293
11.1.1 光放大器的一般應用 293
11.1.2 放大器的類型 294
11.2 半導體光放大器 296
11.2.1 有源介質的外部泵浦 296
11.2.2 放大器增益 298
11.2.3 SOA的帶寬 300
11.3 摻鉺光纖放大器 300
11.3.1 光纖放大器泵浦原理 300
11.3.2 EDFA的結構 302
11.3.3 EDFA的功率轉換效率及增益 303
11.4 放大器噪聲 305
11.5 光信噪比 307
11.6 光纖鏈路應用 308
11.6.1 功率放大器 308
11.6.2 在線放大器 308
11.6.3 前置放大器 310
11.7 拉曼放大器 310
11.7.1 拉曼增益原理 310
11.7.2 泵浦激光器 312
11.8 寬帶光放大器 312
11.9 光纖激光器 313
11.10 小結 314
習題 315
習題解答(選) 317
原著參考文獻 318
第12章 光纖中的非線性效應 320
12.1 非線性效應分類 320
12.2 有效長度與有效面積 321
12.3 受激拉曼散射 322
12.4 受激布里淵散射 324
12.5 自相位調制 325
12.6 交叉相位調制 326
12.7 WDM通道中的四波混頻 327
12.8 減小四波混頻的方案 328
12.9 主要的光波長變換器 329
12.9.1 光門波長轉換器 329
12.9.2 波混頻波長轉換器 330
12.10 孤子的原理 330
12.10.1 孤子脈沖的結構 331
12.10.2 孤子主要參數 333
12.10.3 孤子寬度和間隔 334
12.11 小結 336
習題 336
習題解答(選) 337
原著參考文獻 337
第13章 光網絡 339
13.1 網絡概念 339
13.1.1 網絡術語 339
13.1.2 網絡分類 340
13.1.3 網絡體系的分層結構 342
13.1.4 光層功能 343
13.2 網絡拓撲 344
13.2.1 無源線形總線的性能 345
13.2.2 星形拓撲的性能 345
13.3 SONET/SDH概念 347
13.3.1 SONET/SDH幀結構 347
13.3.2 SONET/SDH的光接口 349
13.3.3 SONET/SDH環 351
13.3.4 SONET/SDH網絡體系 353
13.4 高速光收發機 354
13.4.1 10 Gbps光鏈路 354
13.4.2 40 Gbps光鏈路 356
13.4.3 100 Gbps鏈路 357
13.4.4 400 Gbps以上速率鏈路 357
13.5 光分插復用器方案 358
13.5.1 OADM的結構 358
13.5.2 可重構OADM 359
13.6 光交換 363
13.6.1 光交叉連接 364
13.6.2 波長變換 364
13.6.3 波長路由分配 366
13.6.4 光分組交換 366
13.6.5 光突發交換 367
13.6.6 彈性光網絡 369
13.7 WDM網絡實例 369
13.7.1 長途WDM網絡 369
13.7.2 城域WDM網絡 371
13.7.3 數據中心網絡 372
13.8 無源光網絡 372
13.8.1 基本的PON架構 373
13.8.2 有源PON模塊 374
13.8.3 PON業務流量的控制 375
13.8.4 PON結構中的保護交換 377
13.8.5 WDM PON架構 378
13.9 小結 379
習題 379
習題解答(選) 382
原著參考文獻 382
第14章 性能測量與監控 387
14.1 測量標準概述 388
14.2 測試設備概述 389
14.2.1 測試用光源 390
14.2.2 光譜分析儀 390
14.2.3 多功能光測試儀 391
14.2.4 光功率衰減器 391
14.2.5 光傳送網(OTN)測試儀 391
14.2.6 可視故障指示儀 392
14.3 光功率測量 392
14.3.1 光功率的物理基礎 392
14.3.2 光功率計 393
14.4 光纖特性參數 393
14.4.1 折射近場法 394
14.4.2 傳輸近場法 394
14.4.3 損耗測量 394
14.5 眼圖 397
14.5.1 模板測試 398
14.5.2 壓力眼圖 399
14.5.3 BER等高線 399
14.6 光時域反射儀(OTDR) 399
14.6.1 OTDR測試曲線 400
14.6.2 損耗測量 401
14.6.3 OTDR盲區 402
14.6.4 光纖故障定位 403
14.6.5 光回波衰減 403
14.7 光性能監測 404
14.7.1 管理系統和功能 404
14.7.2 光層管理 405
14.7.3 OPM基本功能 407
14.7.4 用於網絡維護的OPM架構 407
14.7.5 網絡故障檢測 408
14.8 光纖系統性能測量 409
14.8.1 誤碼率測試 409
14.8.2 光信噪比評估 410
14.8.3 Q因子評估 411
14.8.4 OMA測量方法 412
14.8.5 定時抖動測量 413
14.9 小結 414
習題 415
習題解答(選) 416
原著參考文獻 416
附錄A 國際單位制 418
附錄B 分貝 419
附錄C 縮略語 421
附錄D 拉丁文符號 427
附錄E 希臘文符號 429