第1章 绪论 1
1.1 历史回顾 1
1.1.1 光纤通信的需求 1
1.1.2 光波系统的演进 3
1.2 基本概念 6
1.2.1 模拟信号和数字信号 6
1.2.2 信道复用 8
1.2.3 调制格式 9
1.3 光通信系统 11
1.4 光波系统组成 12
1.4.1 作为通信通道的光纤 13
1.4.2 光发射机 13
1.4.3 光接收机 14
习题 15
参考文献 15
第2章 光纤 18
2.1 几何光学描述 18
2.1.1 阶跃折射率光纤 18
2.1.2 渐变折射率光纤 20
2.2 波的传输 22
2.2.1 麦克斯韦方程组 22
2.2.2 光纤模式 23
2.2.3 单模光纤 26
2.3 单模光纤中的色散 28
2.3.1 群速度色散 29
2.3.2 材料色散 30
2.3.3 波导色散 31
2.3.4 高阶色散 32
2.3.5 偏振模色散 33
2.4 色散引起的限制 34
2.4.1 基本传输方程 34
2.4.2 啁啾高斯脉冲 35
2.4.3 对比特率的限制 38
2.4.4 光纤带宽 40
2.5 光纤损耗 41
2.5.1 衰减系数 42
2.5.2 材料吸收 42
2.5.3 瑞利散射 43
2.5.4 波导缺陷 44
2.6 非线性光学效应 44
2.6.1 受激光散射 44
2.6.2 非线性相位调制 48
2.6.3 四波混频 50
2.7 光纤设计和制造 51
2.7.1 石英光纤 51
2.7.2 塑料光纤 53
2.7.3 光缆和连接器 54
习题 55
参考文献 56
第3章 光发射机 60
3.1 半导体激光器物理 60
3.1.1 自发辐射和受激辐射 60
3.1.2 非辐射复合 61
3.1.3 光增益 62
3.1.4 反馈和激光器阈值 63
3.1.5 纵模 64
3.1.6 激光器结构 65
3.2 单模半导体激光器 66
3.2.1 分布反馈激光器 66
3.2.2 耦合腔半导体激光器 68
3.2.3 可调谐半导体激光器 69
3.2.4 垂直腔面发射激光器 70
3.3 激光器的工作特性 71
3.3.1 连续工作特性 71
3.3.2 调制带宽 74
3.3.3 相对强度噪声 75
3.3.4 频谱线宽 77
3.4 光信号产生 79
3.4.1 直接调制 79
3.4.2 外调制 80
3.5 发光二极管 83
3.5.1 连续工作特性 83
3.5.2 调制响应 85
3.5.3 发光二极管的结构 85
3.6 光发射机的设计 87
3.6.1 光源与光纤的耦合 87
3.6.2 驱动电路 89
36.3 可靠性和封装 90
习题 91
参考文献 92
第4章 光接收机 98
4.1 基本概念 98
4.1.1 响应度和量子效率 98
4.1.2 上升时间和带宽 100
4.2 常用的光电探测器 100
4.2.1 p-n光电二极管 100
4.2.2 p-i-n光电二极管 102
4.2.3 雪崩光电二极管 104
4.2.4 MSM光电探测器 109
4.3 光接收机的设计 110
4.3.1 前端 110
4.3.2 线性通道 111
4.3.3 判决电路 112
4.3.4 集成光接收机 113
4.4 光接收机噪声 115
4.4.1 噪声机制 115
4.4.2 p-i-n光接收机 117
4.4.3 APD光接收机 118
4.5 相干探测 120
4.5.1 本机振荡器 120
4.5.2 零差探测 121
4.5.3 外差探测 122
4.5.4 信噪比 122
4.6 光接收机灵敏度 123
4.6.1 误码率 123
4.6.2 最小接收光功率 125
4.6.3 光电探测的量子极限 127
4.7 灵敏度劣化 128
4.7.1 消光比 128
4.7.2 强度噪声 129
4.7.3 定时抖动 131
4.8 光接收机的性能 132
习题 134
参考文献 136
第5章 光波系统 140
5.1 系统结构 140
5.1.1 点对点链路 140
5.1.2 分配网 141
5.1.3 局域网 142
5.2 设计指南 143
5.2.1 损耗限制光波系统 144
5.2.2 色散限制光波系统 145
5.2.3 功率预算 146
5.2.4 上升时间预算 147
5.3 长途光波系统 149
5.3.1 性能限制因素 149
5.3.2 陆地光波系统 150
5.3.3 海底光波系统 152
5.4 功率代价的来源 153
5.4.1 模式噪声 154
5.4.2 模分配噪声 155
5.4.3 反射反馈和噪声 156
5.4.4 色散脉冲展宽 159
5.4.5 频率啁啾 159
5.4.6 眼图闭合度代价 160
5.5 前向纠错 162
5.5.1 纠错码 162
5.5.2 编码增益 163
5.6 计算机辅助设计 163
习题 165
参考文献 166
第6章 多信道系统 171
6.1 WDM光波系统 171
6.1.1 大容量点对点链路 172
6.1.2 广域网与城域网 174
6.1.3 多址WDM网络 176
6.2 WDM器件 178
6.2.1 可调谐光滤波器 178
6.2.2 复用器和解复用器 182
6.2.3 分插复用器和滤波器 185
6.2.4 星形耦合器 186
6.2.5 波长路由器 187
6.2.6 WDM光发射机和光接收机 189
6.3 系统性能问题 191
6.3.1 不同波长线性串扰 192
6.3.2 相同波长线性串扰 193
6.3.3 非线性拉曼串扰 194
6.3.4 受激布里渊散射 196
6.3.5 交叉相位调制 197
6.3.6 四波混频 199
6.3.7 其他设计问题 200
6.4 时分复用 201
6.4.1 信道复用 201
6.4.2 信道解复用 202
6.4.3 系统性能 204
6.5 副载波复用 205
6.5.1 模拟和数字副载波复用系统 205
6.5.2 多波长副载波复用系统 208
6.5.3 正交频分复用 210
6.6 码分复用 211
6.6.1 时域编码 212
6.6.2 频域编码 213
6.6.3 跳频 214
习题 215
参考文献 217
第7章 损耗管理 226
7.1 光纤损耗的补偿 226
7.1.1 周期放大方案 226
7.1.2 集总放大和分布放大 228
7.1.3 双向泵浦方案 229
7.2 掺铒光纤放大器 230
7.2.1 泵浦和增益谱 230
7.2.2 二能级模型 231
7.2.3 放大器噪声 233
7.2.4 多信道应用 235
7.3 拉曼放大器 237
7.3.1 拉曼增益和带宽 237
7.3.2 拉曼引起的信号增益 239
7.3.3 多泵浦拉曼放大 240
7.3.4 拉曼放大器的噪声指数 242
7.4 光信噪比 243
7.4.1 集总放大 243
7.4.2 分布放大 244
7.5 电信噪比 245
7.5.1 放大自发辐射引起的电流起伏 245
7.5.2 放大自发辐射对信噪比的影响 247
7.5.3 放大器链中噪声的形成 247
7.6 接收机灵敏度和Q因子 248
7.6.1 误码率 248
7.6.2 Q因子和光信噪比的关系 250
7.7 色散和非线性效应的作用 251
7.7.1 通过调制不稳定性的噪声增长 251
7.7.2 噪声引起的信号劣化 252
7.7.3 噪声引起的能量起伏 254
7.7.4 噪声引起的定时抖动 255
7.8 周期放大光波系统 256
7.8.1 数值方法 257
7.8.2 最佳输入功率 258
习题 260
参考文献 261
第8章 色散管理 266
8.1 色散问题及其解决方案 266
8.2 色散补偿光纤 268
8.2.1 色散补偿条件 268
8.2.2 色散图 269
8.2.3 色散补偿光纤的设计 270
8.3 光纤布拉格光栅 273
8.3.1 常周期光栅 273
8.3.2 啁啾光纤光栅 274
8.3.3 采样光栅 277
8.4 色散均衡滤波器 279
8.4.1 Gires-Toumois滤波器 279
8.4.2 马赫-曾德尔滤波器 281
8.4.3 其他全通滤波器 282
8.5 光学相位共轭 283
8.5.1 工作原理 284
8.5.2 自相位调制的补偿 284
8.5.3 相位共轭信号的产生 285
8.6 高比特率信道 288
8.6.1 可调谐色散补偿 288
8.6.2 高阶色散管理 291
8.6.3 偏振模色散补偿 293
8.7 电色散补偿 296
8.7.1 群速度色散预补偿的基本思想 296
8.7.2 发射机处的预补偿 297
8.7.3 接收机处的色散补偿 301
习题 304
参考文献 306
第9章 非线性效应的控制 314
9.1 光纤非线性的影响 314
9.1.1 系统设计问题 314
9.1.2 半解析方法 317
9.1.3 孤子区域和伪线性区域 319
9.2 光纤中的孤子 321
9.2.1 光孤子的特性 321
9.2.2 损耗管理孤子 323
9.3 色散管理孤子 326
9.3.1 色散渐减光纤 326
9.3.2 周期色散图 327
9.3.3 设计问题 329
9.3.4 定时抖动 331
9.3.5 定时抖动的控制 333
9.4 伪线性光波系统 335
9.4.1 信道内非线性效应 335
9.4.2 信道内交叉相位调制 337
9.4.3 信道内四波混频 340
9.5 信道内非线性效应的控制 342
9.5.1 色散图的优化 343
9.5.2 相位交替技术 345
9.5.3 偏振比特交替 347
习题 348
参考文献 349
第10章 先进光波系统 355
10.1 光进调制格式 355
10.1.1 光信号的编码 355
10.1.2 振幅和相位调制器 357
10.2 解调方案 358
10.2.1 同步外差解调 359
10.2.2 异步外差解调 360
10.2.3 光延迟解调 361
10.3 散弹噪声和误码率 362
10.3.1 同步外差接收机 362
10.3.2 异步外差接收机 365
10.3.3 带有延迟解调的接收机 366
10.4 灵敏度劣化机制 368
10.4.1 激光器的强度噪声 368
10.4.2 激光器的相位噪声 369
10.4.3 信号偏振起伏 371
10.4.4 光放大器加入的噪声 372
10.4.5 光纤色散 373
10.5 非线性效应的影响 375
10.5.1 非线性相位噪声 375
10.5.2 光纤色散效应 377
10.5.3 非线性相位噪声的补偿 378
10.6 最新进展 381
10.6.1 采用DBPSK格式的系统 381
10.6.2 采用DQPSK格式的系统 383
10.6.3 采用QAM和相关格式的系统 383
10.6.4 采用正交频分复用的系统 385
10.7 极限信道容量 387
习题 388
参考文献 389
第11章 光学信号处理 395
11.1 非线性技术和器件 395
11.1.1 非线性光纤环形镜 395
11.1.2 参量放大器 399
11.1.3 半导体光放大器中的非线性效应 403
11.1.4 双稳光器件 406
11.2 全光触发器 408
11.2.1 半导体激光器和半导体光放大器 409
11.2.2 耦合半导体激光器和半导体光放大器 410
11.3 波长转换器 411
11.3.1 基于交叉相位调制的波长转换器 412
11.3.2 基于四波混频的波长转换器 414
11.3.3 无源半导体波导 417
11.3.4 基于半导体光放大器的波长转换器 418
11.4 超快光交换 420
11.4.1 时域解复用 420
11.4.2 数据格式转换 424
11.4.3 包交换 426
11.5 光再生器 426
11.5.1 基于光纤的2R再生器 427
11.5.2 基于半导体光放大器的2R再生器 431
11.5.3 基于光纤的3R再生器 432
11.5.4 基于半导体光放大器的3R再生器 434
11.5.5 相位编码信号的再生 435
习题 438
参考文献 439
附录A 单位系统 448
附录B 缩写词 449
附录C 脉冲展宽的一般公式 453
附录D 软件包 455
中英文术语对照 457