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PCF 55
2.8.2光子带隙PCF 56
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/SDH 404
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OADM 416
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IP 435
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