光通信原理与技术PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　光通信发展的技术背景 1

1.2　现代光通信技术的产生和发展 2

1.3　光通信系统的构成及其关键技术 5

1.3.1　光纤 6

1.3.2　光源和光发送机 8

1.3.3　光检测器和光接收机 9

1.3.4　空间光通信系统中的光学系统 11

1.3.5　光电集成和光集成技术 11

1.4　光通信技术发展展望 12

小结 13

思考题与习题 13

第2章　光纤传输原理 14

2.1　电磁场理论基础 14

2.1.1　电磁场基本方程 14

2.1.2　电磁场边界条件 15

2.1.3　波动方程和亥姆霍兹方程 17

2.1.4　均匀平面电磁波 18

2.1.5　平面电磁波的偏振状态 19

2.1.6　平面波的反射和折射 19

2.2　电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 21

2.2.1　几何光学的基本方程——Eikonal方程 21

2.2.2 光线传播的路径方程 22

2.3　光纤中光信号传输的几何光学解释 24

2.3.1　阶跃光纤中光线的传播 24

2.3.2　梯度光纤中光线的传播 28

2.4　阶跃光纤中的矢量模 31

2.4.1　光纤波导中的电磁场方程 32

2.4.2　阶跃光纤中的电磁场解 33

2.4.3　传播模式分类 37

2.4.4　模式的截止参数和单模传输条件 38

2.4.5　传播模的色散曲线 41

2.4.6　导波模的场形图 42

2.5.1　线偏振模场解 43

2.5　阶跃光纤中的LP模 43

2.5.2　线偏振模的特征方程及截止参数 44

2.5.3　LPmn模与矢量模之间的对应关系 45

2.5.4　LPmn模的场分布及功率分布 46

2.6　传播模式的一般特性 48

2.6.1　传播模式数量 48

2.6.2　理想波导中模式的正交性和完备性 49

2.6.3　非理想波导中模式的耦合 49

2.7　单模光纤 50

2.7.1　单模条件和截止波长 51

2.7.2　工作模特性 51

2.7.3　单模光纤的双折射 53

小结 57

思考题与习题 57

第3章　光纤的传输特性 60

3.1　光纤的损耗 60

3.1.1　石英玻璃光纤的损耗 61

3.1.3　弯曲损耗 63

3.1.2　其他类型光纤的损耗 63

3.1.4　损耗测量 64

3.2　光纤的色散 65

3.2.1　色散机理 65

3.2.2　材料色散 68

3.2.3　波导色散 71

3.2.4　模式色散 73

3.3　单模光纤的色散及单模光纤的分类 74

3.3.1　色散系数 74

3.3.2　单模光纤分类 75

3.3.3　偏振模色散 78

3.4　色散对通信的影响及对策 79

3.4.1　色散对通信容量的限制 79

3.4.2　色散补偿 81

3.5　单模光纤的非线性特性 85

3.5.1　光纤的非线性折射率 85

3.5.2　自相位调制 86

3.5.3　四波混频 88

3.5.4　受激拉曼散射 90

3.5.5　受激布里渊散射 93

小结 94

思考题与习题 94

第4章　光通信器件 97

4.1　物质与光之间的互作用 97

4.1.1　光的波粒二象性 97

4.1.2　原子的能级和半导体的能带 97

4.1.3　物质与光的互作用 98

4.2　半导体发光二极管 100

4.2.1　半导体PN结的能带结构 100

4.2.2　发光二极管的结构 102

4.2.3　发光二极管的工作特性 104

4.3　半导体激光器 107

4.3.1　半导体激光器的基本结构及阈值条件 107

4.3.2　半导体激光器的选频单元——F-P型光学谐振腔 108

4.3.3　半导体激光器的工作特性 112

4.3.4　窄线宽激光器 117

4.4.1　半导体激光放大器 118

4.4　光放大器 118

4.4.2　掺铒光纤放大器 120

4.4.3　拉曼光纤放大器 123

4.5　光检测器 124

4.5.1　光检测器的工作原理及特性 125

4.5.2　PIN型光检测器 127

4.5.3　雪崩光电二极管 128

4.6.1　光纤连接器 130

4.6　光纤连接器及定向耦合器 130

4.6.2　定向耦合器 132

4.7　波分复用、解复用器 135

4.7.1　光波分复用、解复用器的性能参数 135

4.7.2　复用、解复用器的原理和结构 136

4.8　光调制器 139

4.8.1　电光调制器 139

4.9.1　光滤波器 140

4.8.2　电吸收调制器 140

4.9　光滤波器、光开关和光隔离器 140

4.9.2　光开关 142

4.9.3　光隔离器 143

小结 143

思考题与习题 144

第5章　光纤通信系统 146

5.1　光发送机 146

5.1.1　光发送机的基本组成及指标 146

5.1.2　光源的调制 147

5.1.3　模拟光发送机与数字光发送机的驱动电路 149

5.2　光接收机 154

5.2.1　光接收机的构成及其主要性能指标 154

5.2.2　前置放大器 155

5.2.3　光接收机的噪声 157

5.2.4　光接收机的信噪比 160

5.2.5　数字光接收机的灵敏度 162

5.3　系统设计 165

5.3.1　数字光纤通信系统构成 166

5.3.2　数字系统的设计 168

5.3.3　模拟系统的设计 171

5.4　PDH光通信系统 175

5.4.1　PDH的帧结构 175

5.4.2　PDH的信号速率等级 176

5.4.3　PDH的复用技术 178

5.4.4　PDH的码速调整 179

5.4.5　PDH光纤通信系统的组成 180

5.4.6　PDH的缺点 181

5.5　SDH光通信系统 182

5.5.1　SONET和SDH的起源 182

5.5.2　SDH的复用 183

5.5.3　SONET/SDH帧结构 185

5.5.4　我国采用的复用结构 190

5.5.5　SDH设备 190

5.6.1　波分复用系统的基本原理 191

5.6　波分复用系统 191

5.6.2　SDH与WDM的关系 195

5.6.3　WDM的关键技术 196

5.7　相干光通信系统 198

5.7.1　相干通信技术的基本原理 199

5.7.2　相干系统的光调制 200

5.7.3　相干解调 201

5.7.4　相干光系统的关键技术 204

5.8　光孤子通信系统 205

5.8.1　光纤孤子及其特性 205

5.8.2　光纤损耗与能量补偿 206

5.8.3　光孤子通信系统的基本组成 209

小结 210

思考题与习题 211

第6章　光网络 212

6.1　SDH传送网络 213

6.1.1　SDH传送网分层模型 213

6.1.2　SDH传送网物理拓扑结构 215

6.1.3　SDH传送网的保护方法 216

6.1.4　SDH的网络结构 224

6.2　WDM光传送网 225

6.2.1　光传送网络模型 225

6.2.2　光传送网的分层结构（G.872） 227

6.2.3　光传送网的层间适配 229

6.2.4　WDM光传送网的波长路由机制 231

6.2.5　WDM光传送网的节点功能和结构 232

6.3　光分组交换网络 238

6.3.1　光分组交换的概念、特点及应用 238

6.3.2　光分组交换网络结构的协议参考模型 241

6.3.3　光分组的格式 243

6.3.4　光分组交换网节点的结构与分类 244

6.4　智能光网络 251

6.4.1　智能光网络的基本概念 251

6.4.2　ASON网络体系结构 253

6.4.3　ASON控制平面结构 259

6.4.4　ASON控制平面协议和功能模块的实现 262

6.4.5　ASON的管理平面技术 267

6.4.6　ASON的传送平面技术 268

6.4.7　ASON的发展展望 273

6.5　光突发交换网络 273

6.5.1　光突发交换的基本概念 274

6.5.2　光突发交换系统结构和网络模型 275

6.5.3　光突发交换网的节点结构和关键技术 278

6.6　光接入网 284

6.6.1　光接入网概述 285

6.6.2　基于ATM的无源光网络APON 289

6.6.3　基于以太网的无源光网络EPON 295

6.6.4 基于GSR（gigabit servicc requirements）的无源光网络GPON 300

小结 306

思考题与习题 307

7.1.1　大气激光通信的研究进展 309

7.1　概述 309

第7章 大气激光通信 309

7.1.2　大气激光通信的应用优势 311

7.1.3　大气激光通信面临的主要问题 311

7.2　激光在大气信道中的传播特性 312

7.2.1　大气的特点 312

7.2.2　大气对激光束传播的影响 312

7.2.3　大气信道模型 315

7.3　用于大气激光通信的关键器件和技术 319

7.3.1　半导体光源 320

7.3.2　半导体光源的光学准直 327

7.3.3　窄带光学滤波器 329

7.3.4　光学天线 331

7.3.5　自适应光学（AO）技术 336

7.3.6　Turbo码技术 340

7.4　调制方式 343

7.4.1　单脉冲脉位调制 343

7.4.2　差分脉位调制 344

7.4.3　多脉冲PPM调制 345

7.4.4　解调及比较 346

7.5　大气激光通信系统 346

7.5.1　系统框图 347

7.5.2　系统各单元功能 348

7.5.3　大气激光通信中其他问题的考虑 351

7.5.4　大气激光通信端设备实例 352

7.6　大气激光通信的应用 356

7.6.1　应用场合 356

7.6.2　组网应用 357

小结 358

思考题与习题 358

第8章　星间激光通信 360

8.1　概述 360

8.1.1　卫星通信系统简介 360

8.1.2　星间激光通信的提出及其优势 361

8.1.3　星间激光通信的发展现状 361

8.1.4　星间激光通信系统构成 364

8.2　星间激光链路的种类 365

8.2.1　GEO-LEO激光链路 365

8.2.2　GEO-GEO激光链路 366

8.2.3　LEO-LEO激光链路 366

8.2.4　星地激光链路 367

8.3　光学天线 367

8.3.1　自由空间损耗 367

8.3.3　星间激光通信中的光学天线 368

8.3.2　光学天线增益 368

8.3.4　卡塞格伦式光学天线分析 370

8.4 PAT子系统 373

8.4.1　光束发散角 373

8.4.2　瞄准误差与天线增益的关系 374

8.4.3　星间激光通信中的PAT子系统 375

8.4.4　PAT中的误差检测器件 377

8.4.5　PAT中的光束方向调整装置 380

8.4.6　PAT子系统的工作原理 381

8.4.7　PAT子系统的性能参数 385

8.4.8　一种典型的PAT子系统结构 387

8.5　通信子系统 389

8.5.1　通信子系统构成 389

8.5.2　IM/DD系统性能分析 390

8.5.3　相干光通信系统性能分析 392

8.5.4　卫星振动对系统性能的影响 393

8.6 多普勒效应的影响 396

8.6.1　光波的多普勒频移 396

8.6.2　星间激光链路的多普勒频移分析 397

8.6.3　对系统的影响及对策 399

8.7　两种星间激光通信系统简介 402

8.7.1　SILEX 402

8.7.2　ETS-VI/LCE 405

小结 409

思考题与习题 409

9.1.1　水下光通信的提出 411

9.1　概述 411

第9章 水下激光通信 411

9.1.2　对潜激光通信的研究进展 412

9.2　海水信道 412

9.2.1　海水的透射光谱特性 412

9.2.2　海水对激光束传播的影响 413

9.2.3　海水信道特性 414

9.3　光源技术 417

9.3.1　对光源的基本要求 417

9.3.2　固体蓝光激光器 418

9.4　对潜蓝绿激光通信系统 425

9.4.1　几种对潜激光通信方案 425

9.4.2　陆基系统 425

9.4.3　天基系统 426

9.4.4　空基系统 426

小结 426

思考题与习题 427

参考文献 428