国外电子与通信教材系列 光纤通信 第5版PDF电子书下载

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 6

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 光信道复用 11

1.5.1 WDM概述 11

1.5.2 偏振复用 11

1.5.3 模分复用 11

1.5.4 多芯光纤 12

1.6 光纤通信系统的关键组件 12

1.7 光通信网络的演进 14

1.8 光纤通信标准 15

1.9 仿真与建模工具 16

1.9.1 仿真工具的特征 16

1.9.2 图形编程语言 17

1.9.3 学生使用的程序举例 17

1.10 总结 18

习题 19

习题解答（选） 19

参考文献 20

第2章 光纤：结构、导波原理和制造 23

2.1 光的性质 23

2.1.1 线偏振 24

2.1.2 椭圆偏振和圆偏振 26

2.1.3 光的量子特性 27

2.2 基本的光学定律和定义 28

2.2.1 折射率 28

2.2.2 反射和折射 28

2.2.3 光的偏振分量 30

2.2.4 偏振敏感材料 31

2.3 光纤模式和结构 32

2.3.1 光纤分类 32

2.3.2 光纤结构的变化 34

2.3.3 光射线和模式 35

2.3.4 阶跃折射率光纤结构 35

2.3.5 射线光学描述 36

2.3.6 介质平板波导中的波动描述 37

2.4 圆波导的模式理论 39

2.4.1 模式概述 40

2.4.2 关键的模式概念的归纳 41

2.4.3 麦克斯韦方程组＊ 43

2.4.4 波导方程式＊ 43

2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动方程＊ 45

2.4.6 模式方程＊ 46

2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式 47

2.4.8 线偏振模＊ 50

2.4.9 阶跃折射率光纤中的光功率流 53

2.5 单模光纤 54

2.5.1 结构 54

2.5.2 模场直径 55

2.5.3 单模光纤中的传播模 56

2.5.4 有效折射率 57

2.6 梯度折射率光纤的结构 57

2.6.1 纤芯折射率结构 57

2.6.2 梯度折射率光纤的数值孔径 57

2.6.3 梯度折射率光纤的截止条件 58

2.7 光纤材料 59

2.7.1 玻璃光纤 59

2.7.2 有源玻璃光纤 60

2.7.3 塑料光纤 60

2.8 光子晶体光纤（PCF） 60

2.8.1 折射率导引PCF 61

2.8.2 光子带隙PCF 62

2.9 光纤制造 62

2.9.1 外部汽相氧化法 63

2.9.2 汽相轴向沉积法 64

2.9.3 改进的化学汽相沉积法 64

2.9.4 等离子体激活化学汽相沉积法 65

2.9.5 光子晶体光纤制造 65

2.10 光缆 66

2.10.1 光缆结构 66

2.10.2 室内光缆 68

2.10.3 室外光缆 69

2.11 光缆铺设方法 69

2.11.1 直埋式铺设 70

2.11.2 光缆牵入管道 71

2.11.3 光缆气吹铺设 71

2.11.4 架空铺设 72

2.11.5 海底铺设 73

2.11.6 行业铺设标准 73

2.12 总结 74

习题 75

习题解答（选） 77

参考文献 78

第3章 衰减和色散 82

3.1 衰减 82

3.1.1 衰减单位 82

3.1.2 吸收损耗 83

3.1.3 散射损耗 86

3.1.4 弯曲损耗 89

3.1.5 纤芯和包层的损耗 91

3.2 光纤中的信号畸变 91

3.2.1 色散概述 92

3.2.2 模式时延 93

3.2.3 色散起因 95

3.2.4 群时延 96

3.2.5 材料色散 97

3.2.6 波导色散 99

3.2.7 单模光纤中的色散 99

3.2.8 偏振模色散 101

3.3 单模光纤性能 102

3.3.1 折射率分布 102

3.3.2 截止波长 104

3.3.3 色散计算 105

3.3.4 模场直径 107

3.3.5 弯曲损耗 108

3.4 国际标准 110

3.4.1 G.651.1建议 111

3.4.2 G.652建议 111

3.4.3 G.653建议 112

3.4.4 G.654建议 112

3.4.5 G.655建议 113

3.4.6 G.656建议 113

3.4.7 G.657建议 113

3.5 特种光纤 113

3.6 多芯光纤 115

3.7 总结 115

习题 116

习题解答（选） 118

参考文献 118

第4章 光源 123

4.1 半导体物理学基础 123

4.1.1 能带 124

4.1.2 本征材料和非本征材料 126

4.1.3 pn结 127

4.1.4 直接带隙和间接带隙 128

4.1.5 半导体器件的制造 129

4.2 发光二极管（LED） 129

4.2.1 LED的结构 129

4.2.2 光源材料 131

4.2.3 量子效率和LED的功率 135

4.2.4 LED的调制 137

4.3 半导体激光器 139

4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件 140

4.3.2 半导体激光器的速率方程 145

4.3.3 外量子效率 146

4.3.4 谐振频率 146

4.3.5 半导体激光器结构和辐射场型分布 148

4.3.6 单模激光器 151

4.3.7 半导体激光器的调制 153

4.3.8 激光器线宽 154

4.3.9 外调制 155

4.3.10 温度特性 156

4.4 光源的线性特性 158

4.5 发射机封装 160

4.6 总结 161

习题 162

习题解答（选） 165

参考文献 165

第5章 光功率发射和耦合 168

5.1 光源至光纤的功率发射 168

5.1.1 光源的输出分布 168

5.1.2 功率耦合计算 170

5.1.3 发射功率与波长的关系 173

5.1.4 稳态数值孔径 174

5.2 改善耦合的透镜结构 174

5.2.1 非成像微球 175

5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合 176

5.3 光纤与光纤的连接 177

5.3.1 机械对准误差 179

5.3.2 光纤相关损耗 183

5.3.3 光纤端面制备 184

5.4 LED与单模光纤的耦合 185

5.5 光纤接头 186

5.5.1 连接方法 187

5.5.2 单模光纤的连接 188

5.6 光纤连接器 188

5.6.1 连接器的类型 189

5.6.2 单模光纤连接器 192

5.6.3 连接器回波衰减 192

5.7 总结 194

习题 195

习题解答（选） 197

参考文献 197

第6章 光检测器 201

6.1 光电二极管的物理原理 201

6.1.1 pin光电二极管 201

6.1.2 雪崩光电二极管 205

6.2 光检测器噪声 208

6.2.1 噪声源 208

6.2.2 信噪比 211

6.2.3 噪声等效功率 212

6.3 检测器响应时间 213

6.3.1 耗尽层光电流 213

6.3.2 响应时间 213

6.3.3 双异质结光电二极管 216

6.4 雪崩倍增噪声 216

6.5 InGaAs APD结构 218

6.6 温度对雪崩增益的影响 219

6.7 光检测器比较 220

6.8 总结 220

习题 221

习题解答（选） 224

参考文献 224

第7章 光接收机 226

7.1 接收机工作的基本原理 226

7.1.1 数字信号传输 227

7.1.2 误码源 228

7.1.3 前置放大器 230

7.2 数字接收机性能 232

7.2.1 误码率 232

7.2.2 接收机灵敏度 236

7.2.3 量子极限 238

7.3 眼图 239

7.3.1 眼图的特征 239

7.3.2 BER和Q因子测量 240

7.4 突发模式接收机 241

7.5 模拟接收机 243

7.6 总结 246

习题 247

习题解答（选） 248

参考文献 249

第8章 数字链路 251

8.1 点到点链路 251

8.1.1 传输信号格式 252

8.1.2 系统考虑 254

8.1.3 链路功率预算 255

8.1.4 展宽时间预算 257

8.1.5 短波长带 261

8.1.6 单模光纤链路的损耗限制距离 262

8.2 功率代价 263

8.2.1 色度色散代价 263

8.2.2 偏振模色散代价 265

8.2.3 消光比代价 265

8.2.4 模式噪声 266

8.2.5 模分配噪声 268

8.2.6 啁啾 269

8.2.7 反射噪声 270

8.3 差错控制 272

8.3.1 误码检测概念 272

8.3.2 线性检错码 273

8.3.3 多项式码 273

8.3.4 前向纠错 275

8.4 相干检测 276

8.4.1 基本概念 277

8.4.2 零差检测 278

8.4.3 外差检测 279

8.4.4 误码率比较 279

8.5 高级光调制格式 283

8.5.1 频谱效率 283

8.5.2 相移键控和IQ调制 283

8.5.3 差分正交相移键控（DQPSK） 284

8.5.4 正交幅度调制（QAM） 284

8.6 总结 285

习题 286

习题解答（选） 288

参考文献 289

第9章 模拟链路 294

9.1 模拟链路概述 294

9.2 载噪比 295

9.2.1 载波功率 296

9.2.2 光检测器和前置放大器的噪声 296

9.2.3 相对强度噪声（RIN） 297

9.2.4 反射对RIN的影响 299

9.2.5 极限条件 299

9.3 多信道传输技术 300

9.3.1 多信道幅度调制 301

9.3.2 多信道频率调制 304

9.3.3 副载波复用 305

9.4 光载射频（ROF） 306

9.4.1 关键链路参数 306

9.4.2 无杂散动态范围 308

9.5 光载链路射频 309

9.5.1 ROF网络天线基站 309

9.5.2 多模光纤链路射频 310

9.6 微波光子学 310

9.7 总结 311

习题 311

习题解答（选） 313

参考文献 313

第10章 WDM概念和光器件 317

10.1 WDM概述 317

10.1.1 WDM的工作原理 318

10.1.2 WDM标准 320

10.2 无源光耦合器 321

10.2.1 2×2光纤耦合器 321

10.2.2 散射矩阵表示法 325

10.2.3 2×2波导耦合器 326

10.2.4 星形耦合器 329

10.2.5 马赫-曾德尔干涉复用器 331

10.3 隔离器和环形器 333

10.3.1 光隔离器 333

10.3.2 光环形器 334

10.4 光纤光栅滤波器 335

10.4.1 光栅基础 335

10.4.2 光纤布拉格光栅 336

10.4.3 FBG的应用 338

10.5 介质薄膜滤波器 339

10.5.1 标准具理论 339

10.5.2 TFF的应用 341

10.6 基于相位阵列的WDM器件 342

10.7 衍射光栅 345

10.8 有源光器件 346

10.8.1 MEMS技术 346

10.8.2 可变光衰减器 347

10.8.3 可调谐光滤波器 348

10.8.4 动态增益均衡器 349

10.8.5 光分插复用器 350

10.8.6 偏振控制器 350

10.8.7 色度色散补偿器 350

10.9 可调谐光源 351

10.10 总结 353

习题 353

习题解答（选） 356

参考文献 357

第11章 光放大器 361

11.1 光放大器的基本应用和分类 361

11.1.1 一般应用 361

11.1.2 放大器的类型 362

11.2 半导体光放大器 364

11.2.1 外部泵浦 364

11.2.2 放大器增益 365

11.2.3 SOA的带宽 367

11.3 掺铒光纤放大器 368

11.3.1 放大机理 368

11.3.2 EDFA的结构 370

11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益 371

11.4 放大器噪声 374

11.5 光信噪比 377

11.6 系统应用 378

11.6.1 功率放大器 379

11.6.2 在线放大器 379

11.6.3 前置放大器 380

11.6.4 多信道放大 381

11.6.5 在线放大器增益控制 383

11.7 拉曼放大器 383

11.7.1 拉曼增益 383

11.7.2 泵浦激光器 385

11.8 宽带光放大器 386

11.9 光纤激光器 386

11.10 总结 387

习题 389

习题解答（选） 392

参考文献 392

第12章 非线性效应 396

12.1 非线性效应概述 396

12.2 有效长度与有效面积 397

12.3 受激拉曼散射 398

12.4 受激布里渊散射 400

12.5 自相位调制 402

12.6 交叉相位调制 403

12.7 四波混频 403

12.8 减小四波混频 405

12.9 波长变换 406

12.9.1 光门波长转换器 406

12.9.2 波混频波长转换器 407

12.10 孤子 408

12.10.1 孤子脉冲 408

12.10.2 孤子参数 410

12.10.3 孤子宽度和间隔 411

12.11 总结 412

习题 413

习题解答（选） 414

参考文献 414

第13章 光网络 417

13.1 网络概念 417

13.1.1 网络术语 418

13.1.2 网络分类 418

13.1.3 网络层次 420

13.1.4 光层 421

13.2 网络拓扑 422

13.2.1 无源线形总线的性能 423

13.2.2 星形结构的性能 427

13.3 SONET/SDH 428

13.3.1 传输格式和速率 428

13.3.2 光接口 430

13.3.3 SONET/SDH环 432

13.3.4 SONET/SDH网络 434

13.4 高速光链路 435

13.4.1 10 Gbps光链路 435

13.4.2 40 Gbps光链路 437

13.4.3 100 Gbps链路 438

13.4.4 400 Gbps以上速率链路 438

13.5 光分插复用器 438

13.5.1 OADM的结构 439

13.5.2 可重构OADM 440

13.6 光交换 443

13.6.1 光交叉连接 444

13.6.2 波长变换 445

13.6.3 波长路由 447

13.6.4 光分组交换 448

13.6.5 光突发交换 448

13.7 WDM网络实例 450

13.7.1 宽带长途WDM网络 450

13.7.2 窄带城域WDM网络 452

13.8 无源光网络 453

13.8.1 基本的PON架构 453

13.8.2 有源PON模块 454

13.8.3 业务流量 456

13.8.4 GPON特性 457

13.8.5 WDM PON架构 459

13.9 DWDM直接承载IP 460

13.10 光以太网 461

13.10.1 基本的光以太网方案 461

13.10.2 EPON/GE-PON架构 462

13.10.3 城域光以太网 463

13.11 降低传输损伤 464

13.11.1 色度色散补偿光纤 464

13.11.2 布拉格光栅色散补偿器 465

13.11.3 偏振模色散补偿 466

13.11.4 光放大器增益瞬变 467

13.12 总结 467

习题 468

习题解答（选） 472

参考文献 472

第14章 性能测量与监控 479

14.1 测量标准 480

14.2 基本测试设备 481

14.2.1 测试用光源 482

14.2.2 光谱分析仪 482

14.2.3 多功能光测试仪 483

14.2.4 光衰减器 483

14.2.5 光传送网（OTN）测试仪 483

14.2.6 可视故障指示仪 484

14.3 光功率测量 484

14.3.1 光功率的定义 484

14.3.2 光功率计 485

14.4 光纤特性参数 485

14.4.1 折射近场法 485

14.4.2 传输近场法 486

14.4.3 损耗测量 486

14.4.4 色散测量 488

14.5 眼图 493

14.5.1 模板测试 494

14.5.2 压力眼图 495

14.5.3 眼图轮廓 495

14.6 光时域反射仪（OTDR） 495

14.6.1 OTDR轨迹 496

14.6.2 损耗测量 497

14.6.3 OTDR盲区 498

14.6.4 光纤故障定位 499

14.6.5 光回波衰减 499

14.7 光性能监测 500

14.7.1 管理构架和功能 500

14.7.2 光层管理 501

14.7.3 OPM功能 503

14.7.4 网络维护 503

14.7.5 故障管理 504

14.7.6 OSNR监视 505

14.8 光纤系统性能测量 505

14.8.1 误码率测试 506

14.8.2 光信噪比评估 507

14.8.3 Q因子评估 508

14.8.4 光调制幅度（OMA）测量 510

14.8.5 定时抖动测量 510

14.9 总结 511

习题 512

习题解答（选） 514

参考文献 514

附录A 国际单位制 518

附录B 常用数学关系式 519

附录C 贝塞尔函数 522

附录D 分贝 524

附录E 缩写 525

附录F 拉丁文符号 528

附录G 希腊文符号 530