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第1章 光纤通信概述1

1.1光通信的发展动力2

1.1.1光网络的发展历程2

1.1.2光纤的优点3

1.2光频谱带4

1.2.1电磁能量4

1.2.2工作窗口和光频带5

1.3分贝单位6

1.4网络信息速率8

1.4.1电信信号复用8

1.4.2 SONET/SDH复用体系10

1.5波分复用概念10

1.6光纤通信系统的关键组件10

1.7光纤通信标准13

1.8仿真与建模工具14

1.8.1仿真工具的特征14

1.8.2图形编程语言14

1.8.3学生使用的程序举例15

第2章 光纤：结构、导波原理和制造19

2.1光的性质19

2.1.1线偏振20

2.1.2椭圆偏振和圆偏振22

2.1.3光的量子特性23

2.2基本的光学定律和定义24

2.2.1折射率24

2.2.2反射和折射24

2.2.3光的偏振分量26

2.2.4偏振敏感材料27

2.3光纤模式和结构28

2.3.1光纤分类28

2.3.2光射线和模式30

2.3.3阶跃折射率光纤结构31

2.3.4射线光学描述31

2.3.5介质平板波导中的波动描述33

2.4圆波导的模式理论34

2.4.1模式概述35

2.4.2关键的模式概念的归纳36

2.4.3麦克斯韦方程组38

2.4.4波导方程式39

2.4.5阶跃折射率光纤中的波动方程40

2.4.6模式方程41

2.4.7阶跃折射率光纤中的模式42

2.4.8线偏振模45

2.4.9阶跃折射率光纤中的光功率流48

2.5单模光纤49

2.5.1结构49

2.5.2模场直径49

2.5.3单模光纤中的传播模50

2.6梯度折射率光纤的结构51

2.7光纤材料53

2.7.1玻璃光纤53

2.7.2有源玻璃光纤54

2.7.3塑料光纤54

2.8光子晶体光纤54

2.8.1折射率导引PCF55

2.8.2光子带隙PCF56

2.9光纤制造56

2.9.1外部汽相氧化法57

2.9.2汽相轴向沉积法58

2.9.3改进的化学汽相沉积法58

2.9.4等离子体激活化学汽相沉积法59

2.9.5光子晶体光纤制造59

2.10光纤的机械性能59

2.11光缆63

2.11.1光缆结构63

2.11.2室内光缆65

2.11.3室外光缆65

2.12光缆铺设方法66

2.12.1直埋式铺设66

2.12.2光缆牵入管道68

2.12.3光缆气吹铺设68

2.12.4架空铺设69

2.12.5海底铺设69

2.12.6行业铺设标准70

第3章 衰减和色散79

3.1衰减79

3.1.1衰减单位79

3.1.2吸收损耗80

3.1.3散射损耗84

3.1.4弯曲损耗85

3.1.5芯包损耗87

3.2光纤中的信号畸变88

3.2.1色散概述88

3.2.2模式时延90

3.2.3色散起因91

3.2.4群时延92

3.2.5材料色散93

3.2.6波导色散95

3.2.7单模光纤中的色散95

3.2.8偏振模色散97

3.3单模光纤性能98

3.3.1折射率分布98

3.3.2截止波长100

3.3.3色散计算101

3.3.4模场直径103

3.3.5弯曲损耗104

3.4国际标准105

3.4.1 G.651.1建议106

3.4.2 G.652建议106

3.4.3 G.653建议107

3.4.4 G.654建议108

3.4.5 G.655建议108

3.4.6 G.656建议108

3.4.7 G.657建议108

3.5特种光纤108

第4章 光源116

4.1半导体物理学基础116

4.1.1能带117

4.1.2本征材料和非本征材料119

4.1.3 pn结120

4.1.4直接带隙和间接带隙121

4.1.5半导体器件的制造121

4.2发光二极管（LED）122

4.2.1 LED的结构122

4.2.2光源材料124

4.2.3量子效率和LED的功率127

4.2.4 LED的调制130

4.3半导体激光器131

4.3.1半导体激光器的模式和阈值条件132

4.3.2半导体激光器的速率方程137

4.3.3外量子效率138

4.3.4谐振频率139

4.3.5半导体激光器结构和辐射场型分布140

4.3.6单模激光器144

4.3.7半导体激光器的调制146

4.3.8激光器线宽147

4.3.9外调制148

4.3.10温度特性149

4.4线路编码151

4.4.1 NRZ和RZ码151

4.4.2分组码152

4.5光源的线性特性152

4.6可靠性考虑154

4.7发射机封装157

第5章 光功率发射和耦合165

5.1光源至光纤的功率发射165

5.1.1光源的输出分布165

5.1.2功率耦合计算166

5.1.3发射功率与波长的关系169

5.1.4稳态数值孔径170

5.2改善耦合的透镜结构170

5.2.1非成像微球171

5.2.2半导体激光器与光纤的耦合173

5.3光纤与光纤的连接173

5.3.1机械对准误差175

5.3.2光纤相关损耗179

5.3.3光纤端面制备180

5.4 LED与单模光纤的耦合181

5.5光纤接头182

5.5.1连接方法183

5.5.2单模光纤的连接184

5.6光纤连接器184

5.6.1连接器的类型185

5.6.2单模光纤连接器188

5.6.3连接器回波衰减188

第6章 光检测器196

6.1光电二极管的物理原理196

6.1.1 pin光电二极管196

6.1.2雪崩光电二极管200

6.2光检测器噪声202

6.2.1噪声源203

6.2.2信噪比205

6.2.3噪声等效功率206

6.3检测器响应时间207

6.3.1耗尽层光电流207

6.3.2响应时间208

6.3.3双异质结光电二极管210

6.4雪崩倍增噪声210

6.5 InGaAs APD结构212

6.6温度对雪崩增益的影响213

6.7光检测器比较214

第7章 光接收机219

7.1接收机工作的基本原理219

7.1.1数字信号传输220

7.1.2误码源221

7.1.3前置放大器223

7.2数字接收机性能224

7.2.1误码率224

7.2.2接收机灵敏度228

7.2.3量子极限229

7.3眼图230

7.3.1眼图的特征230

7.3.2 BER和Q因子测量232

7.4突发模式接收机233

7.5模拟接收机235

第8章 数字链路241

8.1点到点链路241

8.1.1系统考虑242

8.1.2链路功率预算243

8.1.3展宽时间预算246

8.1.4短波长带249

8.1.5单模光纤链路的衰减限制距离250

8.2功率代价251

8.2.1色度色散代价251

8.2.2偏振模色散代价253

8.2.3消光比代价253

8.2.4模式噪声254

8.2.5模分配噪声256

8.2.6啁啾257

8.2.7反射噪声258

8.3差错控制260

8.3.1误码检测概念260

8.3.2线性检错码261

8.3.3多项式码261

8.3.4前向纠错263

8.4相干检测264

8.4.1基本概念264

8.4.2零差检测266

8.4.3外差检测266

8.4.4误码率比较266

8.5差分4相移键控（DQPSK）270

第9章 模拟链路278

9.1模拟链路概述278

9.2载噪比279

9.2.1载波功率280

9.2.2光检测器和前置放大器的噪声280

9.2.3相对强度噪声（RIN）281

9.2.4反射对RIN的影响282

9.2.5极限条件283

9.3多信道传输技术284

9.3.1多信道幅度调制284

9.3.2多信道频率调制287

9.3.3副载波复用289

9.4光载射频（ROF）289

9.4.1关键链路参数290

9.4.2无杂散动态范围291

9.5光纤链路射频292

9.5.1 ROF网络天线基站293

9.5.2多模光纤链路射频293

9.6微波光子学294

第10章 WDM概念和光器件300

10.1 WDM概述300

10.1.1 WDM的工作原理301

10.1.2 WDM标准302

10.2无源光耦合器303

10.2.1 2×2光纤耦合器304

10.2.2散射矩阵表示法307

10.2.3 2×2波导耦合器309

10.2.4星形耦合器311

10.2.5马赫-曾德尔干涉复用器313

10.3隔离器和环形器316

10.3.1光隔离器316

10.3.2光环形器317

10.4光纤光栅滤波器318

10.4.1光栅基础318

10.4.2光纤布拉格光栅318

10.4.3 FBG的应用320

10.5介质薄膜滤波器321

10.5.1标准具理论322

10.5.2 TFF的应用323

10.6基于相位阵列的WDM器件324

10.7衍射光栅327

10.8有源光器件328

10.8.1 MEMS技术328

10.8.2可变光衰减器329

10.8.3可调谐光滤波器330

10.8.4动态增益均衡器331

10.8.5光分插复用器332

10.8.6偏振控制器332

10.8.7色度色散补偿器332

10.9可调谐光源333

第11章 光放大器342

11.1光放大器的基本应用和分类342

11.1.1一般应用342

11.1.2放大器的类型343

11.2半导体光放大器345

11.2.1外部泵浦345

11.2.2放大器增益346

11.2.3 SOA的带宽348

11.3掺铒光纤放大器349

11.3.1放大机理349

11.3.2 EDFA的结构351

11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益352

11.4放大器噪声355

11.5光信噪比358

11.6系统应用359

11.6.1功率放大器359

11.6.2在线放大器360

11.6.3前置放大器361

11.6.4多信道放大362

11.6.5在线放大器增益控制362

11.7拉曼放大器364

11.8宽带光放大器366

第12章 非线性效应374

12.1非线性效应概述374

12.2有效长度与有效面积375

12.3受激拉曼散射376

12.4受激布里渊散射377

12.5自相位调制379

12.6交叉相位调制380

12.7四波混频380

12.8减小四波混频382

12.9波长变换383

12.9.1光门波长转换器383

12.9.2波混频波长变换器384

12.10孤子384

12.10.1孤子脉冲385

12.10.2孤子参数387

12.10.3孤子宽度和间隔388

第13章 光网络393

13.1网络概念393

13.1.1网络术语394

13.1.2网络分类394

13.1.3网络层次396

13.1.4光层397

13.2网络拓扑398

13.2.1无源线形总线的性能399

13.2.2星形结构的性能403

13.3 SONET/SDH404

13.3.1传输格式和速率404

13.3.2光接口405

13.3.3 SONET/SDH环407

13.3.4 SONET/SDH网络409

13.4高速光链路411

13.4.1 10 Gbps光链路411

13.4.2 40 Gbps光链路413

13.4.3 40吉比特和100吉比特以太网标准413

13.4.4 160 Gbps OTDM链路413

13.5光分插复用器415

13.5.1 OADM的结构415

13.5.2可重构OADM416

13.6光交换420

13.6.1光交叉连接420

13.6.2波长变换421

13.6.3波长路由424

13.6.4光分组交换424

13.6.5光突发交换425

13.7 WDM网络实例426

13.7.1宽带长途WDM网络426

13.7.2窄带城域WDM网络428

13.8无源光网络429

13.8.1基本的PON架构429

13.8.2有源PON模块430

13.8.3业务流量432

13.8.4 GPON特性433

13.8.5 WDM PON架构435

13.9 DWDM直接承载IP435

13.10光以太网436

13.10.1基本的光以太网方案437

13.10.2 EPON/GE-PON架构438

13.10.3城域光以太网438

13.11降低传输损伤439

13.11.1色度色散补偿光纤439

13.11.2布拉格光栅色散补偿器440

13.11.3偏振模色散补偿441

13.11.4光放大器增益瞬变442

第14章 性能测量与监控453

14.1测量标准454

14.2基本测试设备455

14.2.1测试用光源456

14.2.2光谱分析仪456

14.2.3多功能光测试仪457

14.2.4光衰减器457

14.2.5光传送网（OTN）测试仪457

14.2.6可视故障指示仪458

14.3光功率测量458

14.3.1光功率的定义458

14.3.2光功率计459

14.4光纤特性参数459

14.4.1折射近场法459

14.4.2传输近场法460

14.4.3损耗测量460

14.4.4色散测量462

14.5眼图467

14.5.1模板测试468

14.5.2压缩眼图468

14.5.3眼图轮廓469

14.6光时域反射仪（OTDR）469

14.6.1 OTDR轨迹470

14.6.2损耗测量471

14.6.3 OTDR盲区472

14.6.4光纤故障定位472

14.6.5光回波衰减473

14.7光性能监测473

14.7.1管理构架和功能474

14.7.2光层管理475

14.7.3 OPM功能476

14.7.4网络维护477

14.7.5故障管理478

14.7.6 OSNR监视478

14.8光纤系统性能测量479

14.8.1误码率测试479

14.8.2光信噪比评估481

14.8.3 Q因子评估482

14.8.4光调制幅度（OMA）测量483

14.8.5定时抖动测量484

附录A国际单位制490

附录B常用数学关系式491

附录C贝塞尔函数494

附录D分贝497

附录E缩写498

附录F拉丁文符号501

附录G希腊文符号503