光纤通信技术基础PDF电子书下载

第一篇 光纤技术基础 3

第1章 引论 3

1.1 电通信技术的发展 3

1.2 光通信的必要性及其技术基础 5

1.2.1 光通信的必要性与空间光通信 5

1.2.2 光纤技术的发展 6

1.2.3 模间色散与单模光纤技术 6

1.2.4 群速色散与动态单纵模激光器 7

1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来 8

1.3.1 早期的850nm光纤通信系统 8

1.3.2 1.31μm光纤通信系统 8

1.3.3 1.55μm光纤通信系统 9

1.3.4 光纤通信网络体系结构 9

1.3.5 密集波分复用技术 9

1.3.6 外调制技术与光时分复用 10

1.3.7 网络全光化 10

1.3.8 光纤接入网 11

1.3.9 光纤通信技术的未来发展方向 11

习题 11

第2章 电磁理论基础 13

2.1 电磁现象的普遍规律 13

2.1.1 Maxwell方程组 13

2.1.2 电磁场与物质之间相互作用的宏观描述 14

2.1.3 电磁场边值关系 15

2.1.4 Maxwell方程组的物理含义 16

2.1.5 电磁场量纲系统 17

2.2 电磁场波动方程与电磁波 17

2.2.1 Maxwell方程组的频域形式 17

2.2.2 频域波动方程 18

2.2.3 自由空间中的均匀平面波 19

2.2.4 波的相速度与群速度 20

2.2.5 介质的损耗与增益 21

2.3 电磁场的能量与能流 22

2.3.1 电磁场能量守恒定律 22

2.3.2 复数表示 23

2.4 光的反射与折射 24

2.4.1 Snell定律 24

2.4.2 Fresnel公式 25

2.4.3 重要结论 26

习题 27

第3 章一维平面光波导 30

3.1 一维平面光波导及其几何光学分析 30

3.1.1 一维均匀平面光波导的基本结构 30

3.1.2 模式及其特征方程 31

3.1.3 模式分类及数量 32

3.1.4 模式特征方程的具体形式 33

3.1.5 波导参数与模式截止特性 33

3.1.6 模式场分布 35

3.1.7 一个例子的数值计算结果 36

3.2 一维平面光波导的波动理论分析 38

3.2.1 光波导本征值问题 38

3.2.2 场方程及其束缚态解的形式 39

3.2.3 场分解与模式分类 39

3.2.4 TE模的场分布与特征方程 40

3.2.5 TM模的场分布与特征方程 41

3.3 若干重要概念及其内涵 42

3.3.1 光线、光波与光子 42

3.3.2 波导内电磁场的存在形态和功率流 43

3.3.3 模式的相速度与群速度 43

3.3.4 模间色散与频率色散 44

3.4 数值方法 45

3.4.1 任意一维波导结构的场方程 45

3.4.2 有限差分方法 46

3.4.3 传输矩阵方法 47

习题 48

第4章 光纤模式理论 51

4.1 光纤基本结构与分类 51

4.1.1 光纤基本结构 51

4.1.2 折射率分布的主要类型 52

4.1.3 光纤的数值孔径与归一化频率 53

4.1.4 多模光纤与单模光纤 53

4.2 纵向均匀光波导中场的纵横关系 54

4.2.1 纵向场与横向场 54

4.2.2 纵向均匀光波导内场的纵横关系 54

4.3 阶跃光纤的严格矢量解 56

4.3.1 阶跃光纤中电磁场的波动方程 56

4.3.2 场的纵向分量 57

4.3.3 横向场分量 58

4.3.4 模式特征方程及矢量模的分类 59

4.3.5 矢量模的截止特性 60

4.3.6 光纤的单模传输条件 62

4.3.7 矢量模的特性曲线 63

4.3.8 矢量模的场分布、简并性与光功率密度分布 64

4.4 阶跃型弱导光纤的标量近似理论 66

4.4.1 弱导光纤与线偏振模 66

4.4.2 线偏振模的特征方程 67

4.4.3 线偏振模的简并性及其与矢量模的关系 68

4.4.4 线偏振模的截止特性 69

4.4.5 线偏振模的特性曲线与功率限制因子 70

4.5 无界抛物型折射率分布弱导光纤 72

4.5.1 折射率分布 72

4.5.2 无界抛物型光纤中的模式场分布 72

4.5.3 基模场分布与模场直径 73

4.6 光波导中模式的普遍性质 74

4.6.1 传导模、辐射模与泄漏模 74

4.6.2 光波导本征值问题 74

4.6.3 模式的完备性与光场展开 75

4.6.4 模式的正交性与归一化 76

4.6.5 模式正交性的证明 77

4.6.6 β2的稳定性 78

4.6.7 光波导不规则性与模耦合 78

4.7 近似方法 80

4.7.1 变分法 80

4.7.2 等效阶跃折射率近似 80

4.8 单模光纤 82

4.8.1 概述 82

4.8.2 阶跃型单模光纤 82

4.8.3 单模光纤的模场直径 83

4.8.4 单模光纤中的随机双折射 86

4.8.5 偏振保持光纤 87

习题 88

第5章 光纤色散 94

5.1 光纤色散的来源 94

5.1.1 概述 94

5.1.2 多模光纤中的模式色散 94

5.1.3 Sellmeyer定律和材料色散 96

5.1.4 波导效应所引起的色散 97

5.2 单模光纤的色散 98

5.2.1 基本关系式 98

5.2.2 群时延 99

5.2.3 阶跃型单模光纤的色散 100

5.2.4 单模光纤色散的一般描述 102

5.3 单模光纤中的光信号传输 103

5.3.1 频域分析 103

5.3.2 光信号的时域传输方程 105

5.3.3 光脉冲的色散展宽 105

5.3.4 光脉冲的色散啁啾效应 106

5.4 偏振模色散 107

5.4.1 偏振模色散的来源 107

5.4.2 偏振模色散的统计描述 108

习题 109

第6章 光纤的非线性光学特性 113

6.1 光纤中光学非线性的一般理论描述 113

6.1.1 极化率张量 113

6.1.2 非线性折射率 114

6.1.3 光纤非线性传输方程 115

6.1.4 受激非弹性散射过程 117

6.1.5 非线性响应速度与超快过程 117

6.1.6 光纤非线性的重要意义 119

6.2 自相位调制 119

6.2.1 SPM啁啾效应 119

6.2.2 高斯脉冲的SPM谱展宽效应 121

6.2.3 色散的影响 123

6.3 交叉相位调制 125

6.3.1 两不同频率光信号间的XPM耦合传输方程 125

6.3.2 光纤的非线性双折射 128

6.3.3 同向准连续波之间的XPM效应 129

6.3.4 反向传输准连续波之间的XPM效应 130

6.4 四波混频 130

6.4.1 光纤中的四波混频效应 130

6.4.2 FWM耦合传输方程 132

6.4.3 泵浦-信号相互作用机制 133

6.4.4 FWM光学相位共轭与光谱反转 134

6.4.5 色散对光纤中FWM效应的影响 135

6.5 受激非弹性散射 136

6.5.1 光纤中的受激非弹性散射过程 136

6.5.2 受激拉曼散射 137

6.5.3 受激布里渊散射 140

6.6 光纤中的光学孤立子 142

6.6.1 光纤中光学孤立子的基本特性 142

6.6.2 各种非理想因素对光孤子传输特性的影响 145

6.7 数值分析方法 147

6.7.1 分步傅里叶方法 147

6.7.2 对称分步傅里叶方法 148

6.7.3 迭代的对称分步傅里叶方法 149

习题 149

第7章 光纤制造技术与光缆 153

7.1 光纤制造技术 153

7.1.1 基本原理及技术 153

7.1.2 内部气相沉积法 154

7.1.3 外部气相沉积法 155

7.1.4 拉丝工艺 156

7.2 光缆 157

7.2.1 光缆的基本技术要求 157

7.2.2 光缆的基本结构 157

7.2.3 光缆的主要类型 158

7.3 光纤损耗 160

7.3.1 概述 160

7.3.2 石英材料的本征吸收损耗 161

7.3.3 杂质吸收损耗 162

7.3.4 瑞利散射损耗 162

7.3.5 弯曲损耗 163

7.3.6 改善光纤损耗特性的技术方向 163

7.4 光纤的主要类型与技术规范 164

7.4.1 多模光纤的主要类型与技术规范 164

7.4.2 单模光纤的主要类型与技术规范 165

7.5 特种光纤及其制造 168

7.5.1 稀土掺杂光纤 168

7.5.2 光子晶体光纤 170

7.5.3 偏振保持光纤 172

7.5.4 塑料光纤 172

习题 173

第二篇 光通信器件技术基础 177

第8章 基本光纤器件 177

8.1 分波／合波器件 177

8.1.1 分波／合波器件基本类型及功能 177

8.1.2 器件参数 178

8.2 耦合波导理论 180

8.2.1 耦合波导的基本结构与分析方法 180

8.2.2 耦合波方程 181

8.2.3 耦合波方程的标准形式及其解 182

8.2.4 耦合波导结构光学特性的矩阵表示 183

8.2.5 关于耦合波导的重要结论 183

8.3 熔烧拉锥型光纤耦合器技术 184

8.4 光纤接续技术与光纤连接器 185

8.4.1 光纤熔接技术 186

8.4.2 光纤活动连接器 187

8.4.3 光纤连接损耗 188

8.5 光隔离器、环形器和衰减器 190

8.5.1 光隔离器 190

8.5.2 光纤环形器 192

8.5.3 光衰减器 194

习题 194

第9章 光学滤波器 198

9.1 Fabry-Pérot滤波器 198

9.1.1 Fabry-Pérot（FP）滤波器的基本结构 198

9.1.2 FP滤波器的光学特性 198

9.1.3 FP滤波器的性能参数 199

9.2 介质膜滤波器 200

9.2.1 介质膜滤波器基本组成 200

9.2.2 单层介质膜的光学特性 201

9.2.3 多层膜技术 202

9.3 HiBi光纤Sagnac环滤波器 204

9.3.1 滤波器基本结构 204

9.3.2 HiBi光纤Sagnac滤波器的传输矩阵法分析 204

9.4 Mach-Zender型滤波器 206

9.4.1 Mach-Zender型滤波器的基本结构 206

9.4.2 MZ滤波器的传输矩阵法分析 207

9.5 光纤光栅 208

9.5.1 光纤光栅基本结构和类型 208

9.5.2 光栅区域的光场耦合方程 209

9.5.3 光纤光栅的传输矩阵分析方法 212

9.5.4 啁啾与切趾技术 214

9.5.5 取样光栅 216

习题 220

第10章 光纤放大器 223

10.1 光放大器的发展历程 223

10.1.1 早期的探索 223

10.1.2 掺铒光纤放大器技术的发展 224

10.1.3 光纤拉曼放大技术的发展 225

10.1.4 其他光放大技术 225

10.2 辐射跃迁过程的物理基础 225

10.2.1 基本相互作用过程 225

10.2.2 自发辐射 226

10.2.3 受激辐射 226

10.2.4 受激吸收 227

10.2.5 模式增益和粒子数反转条件 227

10.2.6 光子态密度与黑体辐射定律 228

10.2.7 Einstein关系 229

10.2.8 自发辐射过程的本质 230

10.2.9 能级的自然宽度与线型函数 230

10.3 掺铒光纤放大器 231

10.3.1 掺铒光纤放大器的基本原理 231

10.3.2 EDFA的基本组成 233

10.3.3 EDFA的行波速率方程理论 234

10.3.4 EDFA的增益饱和特性 237

10.4 EDFA的动态模型与数值化方法 239

10.4.1 动态情形 239

10.4.2 数值化方法 239

10.5 放大器噪声 241

10.5.1 EDFA的噪声特性 241

10.5.2 粒子数反转因子与噪声 242

10.5.3 EDFA的级联 243

10.6 光纤Raman放大器 245

10.6.1 受激与自发Raman散射过程 245

10.6.2 FRA的基本理论模型 246

10.6.3 动态情形 247

10.6.4 光纤的Raman增益系数 248

10.6.5 FRA的基本实施方式与开关增益 249

10.6.6 多泵浦宽带Raman放大技术 250

10.7 FRA的噪声特性 251

10.7.1 ASE噪声 251

10.7.2 FRA的多径干涉噪声 252

10.7.3 FRA的四波混频噪声 253

10.7.4 FRA的其他噪声来源 254

10.7.5 新型Raman泵浦技术案例 255

习题 256

第11章 半导体光电子器件 258

11.1 半导体的光电子学特性 258

11.1.1 半导体的能带结构 258

11.1.2 主要的半导体材料及其掺杂 259

11.1.3 半导体内的光学过程 260

11.1.4 半导体的增益和吸收特性 262

11.1.5 PN结及其光电子学特性 263

11.1.6 双异质结 265

11.1.7 异质结的外延生长技术 266

11.1.8 量子结构材料 267

11.1.9 简化的材料增益模型 269

11.1.10 自发复合与载流子寿命 270

11.2 FP型双异质结构激光器 271

11.2.1 FP型激光器的基本结构 271

11.2.2 FP激光器的阈值特性与纵模 272

11.2.3 FP激光器的零维模型 274

11.2.4 FP激光器的稳态特性 274

11.2.5 弛豫过程与开关延迟 277

11.2.6 FP激光器的调制特性 278

11.2.7 FP激光器的光谱特性 279

11.3 动态单纵模激光器 281

11.3.1 概述 281

11.3.2 Bragg光栅 281

11.3.3 DBR激光器 283

11.3.4 DFB激光器 285

11.3.5 VCSEL 286

11.3.6 SG-DBR激光器 287

11.4 发光二极管 288

11.4.1 概述 288

11.4.2 面发射LED 289

11.4.3 边发射LED 290

11.4.4 LED的峰值波长与光谱宽度 290

11.4.5 LED的光-电流特性 292

11.5 半导体光放大器 293

11.5.1 SOA的基本结构和技术要求 293

11.5.2 SOA的理论模型 294

11.5.3 稳态光增益特性 295

11.5.4 增益饱和 296

11.5.5 SOA的噪声特性 297

11.5.6 SOA的非线性特性及其应用 298

11.5.7 增益钳制技术 301

11.5.8 SOA光开关 302

11.6 半导体光电检测技术 302

11.6.1 光电导效应 302

11.6.2 PN结光电二极管 303

11.6.3 PIN光电二极管 306

11.6.4 雪崩光电二极管 308

11.7 光电检测噪声 313

11.7.1 散弹噪声过程 313

11.7.2 散弹噪声过程的数字特征 315

11.7.3 散弹噪声过程的功率谱密度 317

11.7.4 暗电流和热噪声 318

11.7.5 光电检测过程的信噪比 320

习题 324

第三篇 光纤通信系统和网络 333

第12章 光纤传输系统 333

12.1 光纤传输系统的基本组成 333

12.2 光发送机组件 334

12.2.1 码型转换 335

12.2.2 调制／驱动电路 337

12.2.3 自动功率控制电路 338

12.2.4 自动温度控制电路 339

12.3 光接收机组件 340

12.3.1 前端 341

12.3.2 线性通道 343

12.3.3 数据恢复 345

12.4 光放大器噪声及其级联 346

12.4.1 光放大器的噪声特性 346

12.4.2 光放大器的级联 347

12.5 色散调节技术 349

12.5.1 发送端的色散调节 349

12.5.2 传输段的色散调节 351

12.5.3 接收端的色散调节 355

12.6 光纤传输系统设计 355

12.6.1 系统单元参数的选择 355

12.6.2 损耗限制系统和光功率预算 356

12.6.3 色散限制系统及色散预算 357

12.6.4 带宽设计 359

12.7 光纤传输系统性能评估 359

12.7.1 系统参考模型 360

12.7.2 误码性能 361

12.7.3 抖动性能 362

12.7.4 光接口技术要求 363

习题 364

第13章 光纤通信网 366

13.1 通信网的拓扑结构与分类 366

13.1.1 通信网的拓扑结构 367

13.1.2 通信网的分类 368

13.2 准同步数字体系 371

13.2.1 PDH的不同系列 372

13.2.2 时分复用和PCM30/32路系统 372

13.2.3 PDH高次群的时分复用 374

13.2.4 PDH系统 376

13.3 同步数字体系 376

13.3.1 SDH的速率等级和帧结构 377

13.3.2 SDH的复用映射结构 378

13.3.3 SDH基本网络单元设备 380

13.3.4 SDH传输网 382

13.4 异步传递模式 384

13.4.1 ATM信元结构 385

13.4.2 ATM（B-ISDN）协议参考模型 386

13.4.3 ATM交换 387

13.5 互联网协议 388

13.5.1 TCP/IP参考模型 389

13.5.2 互联网协议 390

13.5.3 宽带IP网的传输技术 393

13.6 光纤通信网的管理、保护与恢复 394

13.6.1 光纤通信网的管理 395

13.6.2 光纤通信网的保护与恢复 396

习题 400

第14章 全光网技术及其发展 401

14.1 引言 401

14.2 通信网络的发展过程 402

14.2.1 电网络 402

14.2.2 光电混合网络 402

14.2.3 全光网络 403

14.3 全光网络中的传输技术 403

14.3.1 WDM全光通信网络 404

14.3.2 OTDM全光通信网络 405

14.3.3 OCDMA全光通信网络 408

14.3.4 分组交换全光通信网络 409

14.4 无源光网络 413

14.4.1 GPON 414

14.4.2 EPON 419

14.4.3 WDM-PON 422

14.5 光传送网 425

14.5.1 G.709 OTN信息结构 427

14.5.2 OTN的优点 430

14.6 自动交换光网络 433

14.6.1 ASON技术的发展 433

14.6.2 ASON的分层体系结构 435

14.6.3 ASON的技术优势 440

14.7 全光网的网络管理 440

14.7.1 概述 440

14.7.2 全光网络的管理需求 441

14.7.3 全光网络的管理功能和方式 442

14.7.4 管理通道的实现 443

14.8 全光网络的安全问题 445

14.8.1 全光网络的安全特征 445

14.8.2 攻击类型 446

14.8.3 全光网络攻击方法 446

14.8.4 全光网络的安全措施 448

习题 449

第四篇 光纤与光纤通信系统测量 453

第15章 光纤测量技术 453

15.1 光功率计 453

15.2 光纤几何参数的测量 454

15.2.1 光纤预制棒的测试 454

15.2.2 折射近场法 455

15.2.3 近场扫描法 456

15.2.4 反射法 457

15.2.5 光纤数值孔径的测量 458

15.3 光纤衰减测量 458

15.3.1 概述 458

15.3.2 截断法 459

15.3.3 插入损耗法 460

15.3.4 背向散射法 461

15.4 光纤色散的测量 461

15.4.1 模间色散 462

15.4.2 模间色散的时域测量 462

15.4.3 模间色散的频域测量 463

15.4.4 色度色散的测量 463

15.5 光纤偏振特性的测量 465

15.5.1 光纤拍长的测量 465

15.5.2 光纤偏振模色散的测量 466

15.6 光纤的机械特性和强度测试 467

15.6.1 概述 467

15.6.2 光纤的强度衰弱和断裂 468

15.6.3 测量方法 468

15.7 光时域反射计 469

15.7.1 光时域反射计的功能 469

15.7.2 OTDR的测试步骤 469

15.7.3 OTDR测试实例及结果判读 469

习题 470

第16章 光纤通信系统性能的测量与监控 472

16.1 光接收机灵敏度和动态范围的测量 472

16.1.1 光接收机灵敏度的测量 472

16.1.2 光接收机动态范围的测量 473

16.2 光纤通信系统误码率和功率代价的测量 474

16.2.1 误码率测量 474

16.2.2 功率代价测量 475

16.3 眼图及其测量 477

16.4 光谱分析仪 479

16.5 光纤通信系统的在线监测技术 480

16.5.1 概述 480

16.5.2 光纤通信质量监测系统的基本技术要求 481

16.5.3 传输损耗的在线监测技术 482

习题 482

附录 485

附录1 矢量分析和场论 485

附1.1 矢量的基本运算法则 485

附1.1.1 矢量的加法 485

附1.1.2 矢量的点积（标量积） 485

附1.1.3 矢量的叉积（矢量积） 486

附1.1.4 并矢（张量积） 486

附1.1.5 参量微积分 487

附1.1.6 重要公式 487

附1.2 矢量场和标量场 487

附1.2.1 空间位矢、标量场和矢量场 487

附1.2.2 Hamilton矢量算子 487

附1.2.3 标量场的梯度 488

附1.2.4 矢量场的散度 488

附1.2.5 矢量场的旋度 489

附1.2.6 Helmholtz定理 489

附1.2.7 重要公式 490

附1.3 三维正交曲线坐标系 490

附1.3.1 线度元、面积元和体积元 490

附1.3.2 梯度、散度和旋度 490

附1.3.3 Laplacian算子 491

附1.3.4 直角坐标系 491

附1.3.5 柱坐标系 491

附1.3.6 球坐标系 492

附录2 Bessel函数 494

附2.1 整数阶Bessel方程及其解 494

附2.1.1 Bessel方程 494

附2.1.2 Bessel函数和Neumann函数 494

附2.1.3 第一类和第二类的Hankel函数 495

附2.2 Bessel函数的性质 495

附2.2.1 递推关系和微分公式 495

附2.2.2 Jm（x）和Nm（x）的函数曲线 495

附2.2.3 小宗量近似 496

附2.2.4 大宗量近似 496

附2.2.5 Bessel函数的零点公式 497

附2.3 整数阶的变形Bessel方程及其解 497

附2.3.1 变形Bessel方程 497

附2.3.2 第一类和第二类的变形Bessel函数 497

附2.4 变形Bessel函数的性质 498

附2.4.1 递推关系和微分公式 498

附2.4.2 Im（x）和Km（x）的函数曲线 498

附2.4.3 小宗量近似 498

附2.4.4 大宗量近似 499

参考文献 500