國外電子與通信教材系列:光纖通信

簡 明 目 錄

第1章 光纖通信概述

第2章 光纖:結(jié)構(gòu)、導(dǎo)波原理及制造

第3章 損耗和色散

第4章 光源

第5章 光功率發(fā)射和耦合

第6章 光檢測器

第7章 光接收機(jī)

第8章 數(shù)字鏈路

第9章 模擬鏈路

第10章 波分復(fù)用概念及器件

第11章 光放大器

第12章 非線性效應(yīng)

第13章 光網(wǎng)絡(luò)

第14章 性能測量與監(jiān)控

附錄

索引

目 錄

第1章 光纖通信概述1

1.1 光通信的發(fā)展動因2

1.1.1 光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程2

1.1.2 光纖的優(yōu)勢5

1.2 光譜帶5

1.2.1 電磁能量5

1.2.2 低損耗窗口和頻段8

1.3 分貝單位9

1.4 網(wǎng)絡(luò)信息速率12

1.4.1 電信信號的復(fù)用12

1.4.2 SONET/SDH復(fù)用體系13

1.5波分復(fù)用概念15

1.6光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵單元15

1.7光纖通信標(biāo)準(zhǔn)19

1.8建模與仿真工具20

1.8.1 仿真工具的特征20

1.8.2 編程語言21

1.8.3 適于學(xué)生使用的程序舉例23

習(xí)題23

參考文獻(xiàn)24

第2章 光纖:結(jié)構(gòu)、導(dǎo)波原理及制造27

2.1光的特性27

2.1.1 線偏振28

2.1.2 橢圓偏振和圓偏振31

2.1.3 光的量子特性33

2.2基本的光學(xué)定律和定義33

2.2.1 折射率33

2.2.2 反射和衍射34

2.2.3 光偏振器件36

2.2.4 偏振敏感材料38

2.3 光纖模式及結(jié)構(gòu)39

2.3.1 光纖分類40

2.3.2 射線和模式化42

2.3.3 階躍折射率光纖結(jié)構(gòu)43

2.3.4 射線光學(xué)表述43

2.3.5 介質(zhì)平板波導(dǎo)中的波動表述45

2.4 圓波導(dǎo)的模式理論47

2.4.1 模式概述48

2.4.2 關(guān)鍵的模式概念匯總49

2.4.3 麥克斯韋方程組*51

2.4.4 波導(dǎo)方程*52

2.4.5 階躍折射率光纖中的波方程*54

2.4.6 模式方程*55

2.4.7 階躍折射率光纖中的模式*57

2.4.8 線偏振模*60

2.4.9 階躍折射率光纖中的功率流*63

2.5單模光纖65

2.5.1 結(jié)構(gòu)65

2.5.2 模場直徑65

2.5.3 單模光纖中的傳播模67

2.6漸變折射率光纖結(jié)構(gòu)68

2.7光纖材料70

2.7.1 玻璃光纖70

2.7.2 有源玻璃光纖71

2.7.3 塑料光纖71

2.8光子晶體光纖72

2.8.1 折射率導(dǎo)引PCF72

2.8.2 光子帶隙光纖73

2.9光纖的制造74

2.9.1 外部氣相氧化法75

2.9.2 氣相軸向沉積法75

2.9.3 改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法76

2.9.4 等離子催化化學(xué)氣相沉積法76

2.9.5 光子晶體光纖的制備77

2.10光纖的機(jī)械性能78

2.11光纜82

2.11.1 光纜結(jié)構(gòu)83

2.11.2 室內(nèi)光纜設(shè)計84

2.11.3 戶外光纜86

2.12光纜鋪設(shè)方法87

2.12.1 直埋鋪設(shè)87

2.12.2 管道中的光纜拖曳88

2.12.3 光纜噴射鋪設(shè)89

2.12.4 陸地鋪設(shè)90

2.12.5 水下鋪設(shè)91

2.12.6 行業(yè)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)92

習(xí)題93

參考文獻(xiàn)96

第3章 損耗和色散102

3.1損耗102

3.1.1 損耗單位103

3.1.2 吸收104

3.1.3 散射損耗108

3.1.4 彎曲損耗111

3.1.5 纖芯和包層損耗113

3.2 光纖中的信號畸變114

3.2.1 色散綜述114

3.2.2 模式延遲116

3.2.3 色散因素118

3.2.4 群延遲119

3.2.5 材料色散121

3.2.6 波導(dǎo)色散123

3.2.7 單模光纖的色散124

3.2.8 偏振模色散126

3.3單模光纖性能128

3.3.1 折射率剖面128

3.3.2 截止波長130

3.3.3 色散計算132

3.3.4 模場直徑135

3.3.5 彎曲損耗135

3.4國際標(biāo)準(zhǔn)138

3.4.1 G.651.1建議138

3.4.2 G.652建議138

3.4.3 G.653建議141

3.4.4 G.654建議141

3.4.5 G.655建議141

3.4.6 G.656建議141

3.4.7 G.657建議142

3.5特殊光纖142習(xí)題145

參考文獻(xiàn)147

第4章 光源151

4.1半導(dǎo)體物理專題152

4.1.1 能帶152

4.1.2 本征材料和非本征材料154

4.1.3 pn結(jié)156

4.1.4 直接帶隙和間接帶隙157

4.1.5 半導(dǎo)體器件制作158

4.2發(fā)光二極管(LED)158

4.2.1 LED的結(jié)構(gòu)158

4.2.2 光源材料161

4.2.3 量子效率和LED發(fā)射功率165

4.2.4 LED的調(diào)制特性168

4.3半導(dǎo)體激光器170

4.3.1 半導(dǎo)體激光器的模式和閾值條件171

4.3.2 半導(dǎo)體激光器的速率方程177

4.3.3 外量子效率178

4.3.4 諧振頻率179

4.3.5 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)和輻射方向圖180

4.3.6 單模激光器185

4.3.7 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性189

4.3.8 激光器線寬190

4.3.9 外調(diào)制191

4.3.10 溫度影響193

4.4線路編碼195

4.4.1 非歸零和歸零信號格式195

4.4.2 分組碼196

4.5光源的線性特性196

4.6可靠性考慮198

4.7單片封裝光發(fā)送機(jī)202

習(xí)題204

參考文獻(xiàn)208

第5章 光功率發(fā)射和耦合211

5.1光源至光纖的功率發(fā)射212

5.1.1 光源的輸出方向圖212

5.1.2 功率耦合計算213

5.1.3 發(fā)射功率與波長的關(guān)系216

5.1.4 穩(wěn)態(tài)數(shù)值孔徑217

5.2 改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)218

5.2.1 非成像微球219

5.2.2 半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合220

5.3光纖與光纖的連接221

5.3.1 機(jī)械對準(zhǔn)誤差223

5.3.2 光纖相關(guān)損耗229

5.3.3 光纖端面制備230

5.4LED與單模光纖的耦合231

5.5光纖接頭232

5.5.1 連接方法233

5.5.2 單模光纖的連接234

5.6光纖連接器235

5.6.1 連接器的類型235

5.6.2 單模光纖連接器239

5.6.3 連接器回波衰減240

習(xí)題242

參考文獻(xiàn)244

第6章 光檢測器248

6.1光電二極管的物理原理249

6.1.1 pin光電二極管249

6.1.2 雪崩光電二極管253

6.2光檢測器噪聲257

6.2.1 噪聲源257

6.2.2 信噪比261

6.2.3 噪聲等效功率262

6.3檢測器響應(yīng)時間263

6.3.1 耗盡層光電流263

6.3.2 響應(yīng)時間264

6.3.3 雙異質(zhì)結(jié)光電二極管267

6.4雪崩倍增噪聲267

6.5InGaAs APD結(jié)構(gòu)270

6.6溫度對雪崩增益的影響270

6.7光檢測器比較272

習(xí)題273

參考文獻(xiàn)275

第7章 光接收機(jī)277

7.1 接收機(jī)工作的基本原理278

7.1.1 數(shù)字信號傳輸278

7.1.2 誤碼源280

7.1.3 前端放大器282

7.2數(shù)字接收機(jī)性能283

7.2.1 差錯概率283

7.2.2 接收機(jī)靈敏度287

7.2.3 量子極限290

7.3眼圖291

7.3.1 眼圖的特征291

7.3.2 BER和Q因子測量293

7.4突發(fā)模式接收機(jī)294

7.5模擬接收機(jī)297

習(xí)題300

參考文獻(xiàn)302

第8章 數(shù)字鏈路304

8.1點(diǎn)到點(diǎn)鏈路305

8.1.1 系統(tǒng)考慮306

8.1.2 鏈路功率預(yù)算307

8.1.3 上升時間預(yù)算310

8.1.4 短波長帶313

8.1.5 單模光纖的損耗受限距離314

8.2功率代價316

8.2.1 色度色散代價316

8.2.2 偏振模色散代價318

8.2.3 消光比代價319

8.2.4 模式色散319

8.2.5 模分配噪聲322

8.2.6 啁啾323

8.2.7 反射噪聲325

8.3差錯控制327

8.3.1 誤碼檢測概念328

8.3.2 線型誤碼檢測碼328

8.3.3 多項式碼329

8.3.4 前向糾錯碼331

8.4 相干檢測332

8.4.1 基本概念333

8.4.2 零差檢測335

8.4.3 外差檢測335

8.4.4 BER比較336

8.5 差分四相移鍵控342

習(xí)題343

參考文獻(xiàn)345

第9章 模擬鏈路350

9.1模擬鏈路概述351

9.2載噪比352

9.2.1 載波功率352

9.2.2 光檢測器和前置放大器噪聲353

9.2.3 相對強(qiáng)度噪聲(RIN)354

9.2.4 反射對RIN的影響354

9.2.5 極限條件356

9.3多信道傳輸技術(shù)357

9.3.1 多信道幅度調(diào)制358

9.3.2 多信道頻率調(diào)制361

9.3.3 副載波復(fù)用362

9.4光載射頻(ROF)364

9.4.1 關(guān)鍵鏈路參數(shù)364

9.4.2 無雜散動態(tài)范圍366

9.5光載射頻鏈路368

9.5.1 ROF網(wǎng)絡(luò)天線基站368

9.5.2 多模光纖光載射頻鏈路369

9.6微波光子學(xué)370

習(xí)題371

參考文獻(xiàn)373

第10章 波分復(fù)用概念及器件376

10.1WDM概述377

10.1.1 WDM的工作原理377

10.1.2 WDM標(biāo)準(zhǔn)379

10.2無源光耦合器381

10.2.1 2×2光纖耦合器381

10.2.2 散射矩陣表示法385

10.2.3 2×2波導(dǎo)耦合器387

10.2.4 星形耦合器391

10.2.5 馬赫-曾德爾干涉復(fù)用器39310.3 隔離器和環(huán)行器39610.3.1 光隔離器396

10.3.2 光環(huán)形器398

10.4光纖光柵濾波器399

10.4.1 光柵基礎(chǔ)399

10.4.2 光纖布拉格光柵399

10.4.3 FBG的應(yīng)用402

10.5介質(zhì)薄膜濾波器403

10.5.1 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具理論 404

10.5.2 TFF的應(yīng)用406

10.6基于相位陣列的WDM器件407

10.7衍射光柵412

10.8有源光器件413

10.8.1 MEMS技術(shù)413

10.8.2 可變光衰減器414

10.8.3 可調(diào)諧光濾波器415

10.8.4 動態(tài)增益均衡器416

10.8.5 光分插復(fù)用器417

10.8.6 偏振控制器418

10.8.7 色度色散補(bǔ)償418

10.9可調(diào)諧光源419

習(xí)題421

參考文獻(xiàn)425

第11章 光放大器429

11.1光放大器的基本應(yīng)用和分類429

11.1.1 一般應(yīng)用430

11.1.2 放大器的類型431

11.2半導(dǎo)體光放大器433

11.2.1 外部泵浦433

11.2.2 放大器增益435

11.2.3 SOA的帶寬436

11.3摻鉺光纖放大器437

11.3.1 放大機(jī)制437

11.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)439

11.3.3 EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率及增益441

11.4放大器噪聲445

11.5光信噪比449

11.6系統(tǒng)應(yīng)用450

11.6.1 功率放大器451

11.6.2 在線放大器451

11.6.3 前置放大器453

11.6.4 多信道運(yùn)用453

11.6.5 在線放大器增益控制455

11.7拉曼放大器456

11.8寬帶光放大器460

習(xí)題461

參考文獻(xiàn)464

第12章 非線性效應(yīng)468

12.1非線性效應(yīng)概述469

12.2有效傳輸距離與有效面積469

12.3受激拉曼散射471

12.4受激布里淵散射473

12.5自相位調(diào)制475

12.6交叉相位調(diào)制476

12.7四波混頻477

12.8 四波混頻的改善479

12.9波長轉(zhuǎn)換器480

12.9.1 光門波長轉(zhuǎn)換器480

12.9.2 波混頻波長轉(zhuǎn)換器481

12.10孤子482

12.10.1 孤子脈沖483

12.10.2 孤子參數(shù)485

12.10.3 孤子寬度和間隔487

習(xí)題489

參考文獻(xiàn)490

第13章 光網(wǎng)絡(luò)493

13.1網(wǎng)絡(luò)概念494

13.1.1 網(wǎng)絡(luò)術(shù)語494

13.1.2 網(wǎng)絡(luò)分類495

13.1.3 網(wǎng)絡(luò)層497

13.1.4 光層499

13.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?99

13.2.1 無源線形總線的性能501

13.2.2 星形結(jié)構(gòu)的性能506

13.3SONET/SDH507

13.3.1 傳輸格式和速率507

13.3.2 光接口509

13.3.3 SONET/SDH環(huán)511

13.3.4 SONET/SDH網(wǎng)絡(luò)515

13.4高速光鏈路516

13.4.1 10 Gb/s光鏈路517

13.4.2 40 Gb/s光鏈路519

13.4.3 40 Gb/s和100 Gb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)519

13.4.4 160 Gb/sOTDM鏈路520

13.5光分插復(fù)用器521

13.5.1 OADM的結(jié)構(gòu)522

13.5.2 可重構(gòu)OADM 523

13.6光交換528

13.6.1 光交叉連接529

13.6.2 波長變換530

13.6.3 波長路由533

13.6.4 光分組交換534

13.6.5 光突發(fā)交換535

13.7WDM網(wǎng)絡(luò)實例537

13.7.1 寬帶長途W(wǎng)DM網(wǎng)絡(luò)537

13.7.2 窄帶城域WDM網(wǎng)絡(luò)539

13.8無源光網(wǎng)絡(luò)540

13.8.1 基本的PON架構(gòu)540

13.8.2 有源PON模塊542

13.8.3 業(yè)務(wù)流量544

13.8.4 GPON特性544

13.8.5 WDM PON架構(gòu)548

13.9DWDM 直接承載IP548

13.10光以太網(wǎng)550

13.10.1 基本的光以太網(wǎng)方案55013.10.2 EPON/GE-PON架構(gòu)552

13.10.3 城域光以太網(wǎng)553

13.11 降低傳輸損傷553

13.11.1 色度色散補(bǔ)償光纖554

13.11.2 布拉格光柵色散補(bǔ)償器555

13.11.3 偏振模色散補(bǔ)償556

13.11.4 光放大器增益瞬變557

習(xí)題558

參考文獻(xiàn)563

第14章 性能測量與監(jiān)控570

14.1測量標(biāo)準(zhǔn)571

14.2基本測試設(shè)備573

14.2.1 測試用光源574

14.2.2 光譜分析儀575

14.2.3 多功能光測試系統(tǒng)576

14.2.4 光衰減器576

14.2.5 光傳送網(wǎng)測試儀576

14.2.6 可視故障指示儀577

14.3光功率測量577

14.3.1 光功率的定義577

14.3.2 光功率計578

14.4光纖特性參數(shù)578

14.4.1 折射近場法579

14.4.2 傳輸近場法579

14.4.3 損耗測量579

14.4.4 色散測量582

14.5眼圖588

14.5.1 模板測試589

14.5.2 壓縮眼圖590

14.5.3 眼圖輪廓590

14.6光時域反射儀(OTDR)591

14.6.1 OTDR 軌跡592

14.6.2 損耗測量593

14.6.3 OTDR 盲區(qū)594

14.6.4 光纖故障定位595

14.6.5 光回波損耗595

14.7光性能監(jiān)測596

14.7.1 管理構(gòu)架和功能597

14.7.2 光層管理598

14.7.3 OPM 功能600

14.7.4 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)601

14.7.5 故障管理602

14.7.6 OSNR監(jiān)視603

14.8光纖系統(tǒng)性能測量603

14.8.1 誤碼率測試604

14.8.2 光信噪比評估605

14.8.3 Q值評估 607

14.8.4 光調(diào)制幅度(OMA)測量609

14.8.5 定時抖動測量610

習(xí)題611

參考文獻(xiàn)613

附錄A國際單位制617

附錄B常用數(shù)學(xué)關(guān)系618

附錄C貝塞爾函數(shù)622

附錄D分貝625

附錄E縮寫627

附錄F拉丁文符號633

附錄G希臘文符號636

索引639

本書系統(tǒng)地介紹了光纖通信的各方面知識。全書共14章，內(nèi)容涵蓋光纖傳輸原理和傳輸特性，半導(dǎo)體光源和光檢測器的工作原理與工作特性，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)，光放大器的工作原理和性能，WDM系統(tǒng)原理與器件，光網(wǎng)絡(luò)與光交換，光纖通信系統(tǒng)的性能測量及管理。與前一版相比，新增了光纖的非線性效應(yīng)、光子晶體光纖、高速通信中的前向糾錯、光載無線通信(ROF)及光纜鋪設(shè)等新內(nèi)容。

本書作者以實踐專家的視角提出了造成信號完整性問題的根源，特別給出了在設(shè)計前期階段的問題解決方案。這是面向電子工業(yè)界的設(shè)計工程師和產(chǎn)品負(fù)責(zé)人的一本具有實用價值的參考書，其目的在于幫助他們在信號完整性問題出現(xiàn)之前能提前發(fā)現(xiàn)并及早加以解決，同時也可作為相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教學(xué)指導(dǎo)用書。

本書的主要內(nèi)容

·信號完整性和物理設(shè)計概論

·帶寬、電感和特性阻抗的實質(zhì)含義

·電阻、電容、電感和阻抗的相關(guān)分析

·解決信號完整性問題的四個實用技術(shù)手段:經(jīng)驗法則、解析近似、數(shù)值模擬、實際測量

·物理互連設(shè)計對信號完整性的影響

·數(shù)學(xué)推導(dǎo)背后隱藏的解決方案

·改進(jìn)信號完整性推薦的設(shè)計準(zhǔn)則

通常，大多數(shù)同類書籍都會花費(fèi)大量的篇幅進(jìn)行嚴(yán)格的理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)描述，而本書則更強(qiáng)調(diào)直觀理解、實用工具和工程實踐。