光纤通信导论PDF电子书下载

第一章 绪论 1

1.1 光纤通信发展简史 1

1.2 光纤通信系统 3

1.2.1 概述 3

1.2.2 光纤通信系统的基本构成 4

1.2.2.1 光纤 4

1.2.2.2 光发射机 4

1.2.2.3 光接收机 5

1.3 几个基本概念 5

1.3.1 模拟信号与数字信号 5

1.3.2 信道复用 7

1.3.3 调制方式 8

1.3.4 信道容量 9

2.1 光纤的几何光学分析 10

第二章 光纤和光缆 10

2.1.1 阶跃折射率光纤 11

2.1.2 梯度折射率光纤 12

2.2 阶跃折射率光纤的波动光学分析 13

2.2.1 麦克斯韦方程组 13

2.2.2 光纤中的模式 15

2.2.3 单模光纤 17

2.2.3.1 单模条件 17

2.2.3.2 模折射率 17

2.2.3.3 模场分布 18

2.2.3.4 双折射 18

2.2.3.5 光斑尺寸 18

2.3 单模光纤中的色散 19

2.3.1 群速度色散 19

2.3.2 材料色散 20

2.3.3 波导色散 20

2.4 色散导致的脉冲展宽 22

2.4.1 基本传播方程 23

2.4.2 高斯输入脉冲 24

2.4.2.1 高斯脉冲的脉宽与谱宽 24

2.4.2.2 高斯输入脉冲的展宽 24

2.4.3 光纤色散对码率的限制 25

2.4.4 光纤带宽 28

2.5 光纤的损耗 29

2.5.1 衰减系数 29

2.5.2 材料吸收 30

2.5.3 瑞利散射 30

2.5.4 波导缺陷 31

2.6 光纤中的非线性光学效应 31

2.6.1 受激光散射 32

2.6.2 非线性折射 33

2.7.1 设计问题 34

2.7.2 制造方法简介 34

2.6.3 四波混频 34

2.7 光纤的制造 34

2.8 光缆 36

2.9 光纤和光缆的连接 37

2.9.1 光纤的连接 38

2.9.2 光缆的连接 39

第三章 光源和光检测器 40

3.1 光电器件的一般工作原理 40

3.1.1 光发射与光吸收 40

3.1.2 p-n结 43

3.1.3 半导体材料 46

3.2 发光二极管(LED) 48

3.2.1 LED的结构 48

3.2.2 LED的工作特性 49

3.2.2.2 光谱特性 50

3.2.2.1 p-l特性 50

3.2.2.3 调制特性 51

3.3 半导体激光器(LD) 52

3.3.1 LD激光振荡 52

3.3.3.1 光增益 52

3.3.3.2 光反馈和激光器阈值 53

3.3.2 半导体激光器的结构 54

3.3.2.1 增益导引半导体激光器 55

3.3.2.2 折射率导引半导体激光器 56

3.3.3 LD的工作特性 56

3.3.3.1 p-l特性 57

3.3.3.2 调制响应 59

3.3.3.3 激光噪声 62

3.3.3.4 激光模式 65

3.3.4.1 DFB和DBR半导体激光器 68

3.3.4 单纵模半导体激光器 68

3.3.4.2 耦合腔半导体激光器 70

3.4 光电二极管 71

3.4.1 结构原理 72

3.4.1.1 PN光电二极管 72

3.4.1.2 PIN光电二极管 73

3.4.1.3 雪崩光电二极管(APD) 74

3.4.2 工作特性和参数 75

3.4.2.1 响应度和量子效率 76

3.4.2.2 APD的倍增系数及噪声 76

3.4.2.3 响应带宽 78

3.4.3 新型APD结构 79

第四章 光发射机与光接收机 82

4.1 光发射机 82

4.1.1 光源与光纤的耦合 82

4.1.2 驱动电路 83

4.1.3 自动功率控制(APC)电路 84

4.1.4 自动温度控制(ATC)电路 85

4.1.5 告警电路与保护电路 86

4.1.6 码型变换 86

4.1.7 光发射机可靠性评估 90

4.2 光接收机的组成 91

4.2.1 前端 91

4.2.2 线性通道 92

4.2.3 数据恢复 94

4.2.4 集成光接收机 95

4.3 光接收机的性能 95

4.3.1 接收噪声与信噪比 96

4.3.1.1 噪声机制 96

4.3.1.2 PIN接收机的信噪比 97

4.3.1.3 APD接收机的信噪比 98

4.3.2.1 误码率 99

4.3.2 接收灵敏度 99

4.3.2.2 最小平均接收功率 102

4.3.2.3 光探测的量子极限 103

4.3.3 其它引起光接收机灵敏度下降的因素 103

4.3.3.1 消光比 104

4.3.3.2 强度噪声 104

4.3.3.3 时间抖动 106

4.3.4 光接收机性能评估 107

第五章 光纤通信系统设计和性能 111

5.1 系统结构 111

5.1.1 点对点的传输 111

5.1.2 光纤分配网 112

5.1.3 局域网络(LAN) 113

5.2 工作波长和系统限制 115

5.2.1 损耗限制的系统 115

5.2.2 色散限制的系统 115

5.3 商用化光纤通信系统 116

5.4.1 功率预算 120

5.4 系统功率预算和带宽 120

5.4.2 系统的带宽 121

5.5 系统设计中要考虑的其它因素 123

5.5.1 光纤模式噪声 123

5.5.2 色散导致的脉冲展宽 123

5.5.3 LD的模分配噪声 125

5.5.4 LD的频率啁啾 128

5.5.5 反射噪声 131

5.6 光纤通信计算机辅助设计简介 133

6.1.1 光源的测量 135

6.1.1.1 p-l特性的测量 135

6.1.1.2 发射波长与发射光谱的测量 135

第六章 光纤通信系统中的测量 135

6.1 光源与光检测器的测量 135

6.1.1.3 调制响应的测量 136

6.1.2 光检测器参数的测量 136

6.1.2.1 响应度和量子效率的测量 137

6.1.2.2 暗电流的测量 137

6.1.2.3 上升及下降时间测量 137

6.1.2.4 APD反向击穿电压测量 137

6.2 光纤特性的测量 138

6.1.2.5 APD倍增因子的测量 138

6.1.2.6 APD附加噪声指数的测量 138

6.2.1 光纤传输特性的测量 139

6.2.1.1 损耗的测量 139

6.2.1.2 色散的测量 141

6.2.2 光纤基本参数的测量 143

6.2.2.1 光纤折射率分布的测量 143

6.2.2.2 数值孔径的测量 143

6.2.2.3 单模光纤截止波长和模场直径的测量 146

6.3 光端机的测量 147

6.3.1 光发射机指标测量 147

6.3.1.1 输出功率的测量 147

6.3.1.2 消光比的测量 148

6.3.2 光接收机指标测量 148

6.4 光纤数字传输系统传输特性的测量 149

第七章 多信道复用系统 151

7.1 信道复用的方式 151

7.2 频分复用系统 152

7.2.1 频分复用光纤通信系统的几种结构 152

7.2.1.1 高容量点对点传输 152

7.2.1.2 广播式分配网络 153

7.2.1.3 多路多址局域网络 154

7.2.2 频分复用系统基本器件 154

7.2.2.1 波分复用/解复用器 155

7.2.2.2 被动星型耦合器 157

7.2.2.3 可调光滤波器 158

7.2.2.4 可调谐半导体激光器 159

7.2.3 系统性能 159

7.2.3.1 线性串扰 159

7.2.3.2 非线性串扰 160

7.2.3.3 其它系统设计和性能问题 162

7.3 副载波复用系统 164

7.3.1 模拟SCM系统 165

7.3.2 数字SCM系统及混合SCM系统 169

7.3.3 波分复用SCM系统 172

7.3.4 实用化SCM-CATV光纤传输系统 172

7.3.4.1 AM-SCM-CATV光纤传输系统 173

7.3.4.2 FM-SCM-CATV光纤传输系统 177

8.1 引言 180

8.1.1 光纤通信中的光电中继器 180

第八章 光放大器 180

8.1.2 光放大器 181

8.1.3 光放大器的基本性能 181

8.1.3.1 增益和带宽 182

8.1.3.2 增益饱和 182

8.1.3.3 放大器噪声 183

8.1.4 光放大器在光纤通信中的应用形式 184

8.1.5 放大器级联 185

8.2 半导体激光放大器 186

8.2.1 放大器的结构 186

8.2.2 放大器的性能 187

8.2.3 多信道放大 190

8.2.4 脉冲放大 191

8.2.5 系统应用 194

8.3.1 EDFA中E？的能级结构和泵浦 195

8.3 掺铒光纤放大器 195

8.3.2 增益特性 196

8.3.3 放大器的噪声系数 198

8.3.4 EDFA实验 199

8.3.5 EDFA设计 200

8.3.6 多信道放大和脉冲放大 201

8.3.7 系统应用 201

第九章 相干光通信 203

9.1 相干光通信的基本原理 203

9.1.1 直接检测与相干检测 203

9.1.2 零差检测与外差检测 204

9.1.3 相干光通信的优点 206

9.2 调制方式 207

9.2.1 ASK、FSK、PSK和DPSK 207

9.2.2 调制的数学表达式 207

9.2.3 调制的实现 208

9.3 信噪比 210

9.4 各种相干光通信方式比较 211

9.5 影响系统性能的因素及改进措施 212

9.5.1 相位噪声 212

9.5.2 强度噪声 214

9.5.3 偏振噪声 215

9.5.4 光纤色散 216

9.5.5 其它因素 216

9.6 实验系统 216

9.6.1 包络解调外差系统 216

9.6.2 同步解调外差系统 217

9.6.3 零差系统 217

9.6.4 现场实验 217

第十章 孤子通信系统 219

10.1 光纤中孤子的基本概念 219

10.1.1 非线性薜定谔方程 219

10.1.2 一阶孤子与高阶孤子 220

10.1.3 暗孤子 222

10.2 孤子传输损耗与孤子放大 224

10.2.1 光纤损耗导致的孤子脉冲展宽 224

10.2.2 孤子放大 224

10.3 孤子通信系统设计 227

10.3.1 孤子相互作用 227

10.3.2 初始光脉冲的频率啁啾 229

10.3.3 放大器的间距 231

10.3.4 孤子时间抖动 232

10.3.4.1 放大器自发辐射噪声引起的时间抖动 232

10.3.4.2 自频率移动引起的时间抖动 233

10.3.4.3 两种时间抖动的比较 235

10.4 波分复用孤子通信系统 236

10.5 实验进展 237

主要参考书目 240