第1章 光纤通信概述 1
1.1 光通信的发展动因 2
1.1.1 光网络的发展历程 2
1.1.2 光纤的优势 5
1.2 光谱带 5
1.2.1 电磁能量 5
1.2.2 低损耗窗口和频段 8
1.3 分贝单位 9
1.4 网络信息速率 12
1.4.1 电信信号的复用 12
1.4.2 SONET/SDH复用体系 13
1.5 波分复用概念 15
1.6 光纤通信系统的关键单元 15
1.7 光纤通信标准 19
1.8 建模与仿真工具 20
1.8.1 仿真工具的特征 20
1.8.2 编程语言 21
1.8.3 适于学生使用的程序举例 23
习题 23
参考文献 24
第2章 光纤：结构、导波原理及制造 27
2.1 光的特性 27
2.1.1 线偏振 28
2.1.2 椭圆偏振和圆偏振 31
2.1.3 光的量子特性 33
2.2 基本的光学定律和定义 33
2.2.1 折射率 33
2.2.2 反射和衍射 34
2.2.3 光偏振器件 36
2.2.4 偏振敏感材料 38
2.3 光纤模式及结构 39
2.3.1 光纤分类 40
2.3.2 射线和模式化 42
2.3.3 阶跃折射率光纤结构 43
2.3.4 射线光学表述 43
2.3.5 介质平板波导中的波动表述 45
2.4 圆波导的模式理论 47
2.4.1 模式概述 48
2.4.2 关键的模式概念汇总 49
2.4.3 麦克斯韦方程组 51
2.4.4 波导方程 52
2.4.5 阶跃折射率光纤中的波方程 54
2.4.6 模式方程 55
2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式 57
2.4.8 线偏振模 60
2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流 63
2.5 单模光纤 65
2.5.1 结构 65
2.5.2 模场直径 65
2.5.3 单模光纤中的传播模 67
2.6 渐变折射率光纤结构 68
2.7 光纤材料 70
2.7.1 玻璃光纤 70
2.7.2 有源玻璃光纤 71
2.7.3 塑料光纤 71
2.8 光子晶体光纤 72
2.8.1 折射率导引PCF 72
2.8.2 光子带隙光纤 73
2.9 光纤的制造 74
2.9.1 外部气相氧化法 75
2.9.2 气相轴向沉积法 75
2.9.3 改进的化学气相沉积法 76
2.9.4 等离子催化化学气相沉积法 76
2.9.5 光子晶体光纤的制备 77
2.10 光纤的机械性能 78
2.11 光缆 82
2.11.1 光缆结构 83
2.11.2 室内光缆设计 84
2.11.3 户外光缆 86
2.12 光缆铺设方法 87
2.12.1 直埋铺设 87
2.12.2 管道中的光缆拖曳 88
2.12.3 光缆喷射铺设 89
2.12.4 陆地铺设 90
2.12.5 水下铺设 91
2.12.6 行业铺设标准 92
习题 93
参考文献 96
第3章 损耗和色散 102
3.1 损耗 102
3.1.1 损耗单位 103
3.1.2 吸收 104
3.1.3 散射损耗 108
3.1.4 弯曲损耗 111
3.1.5 纤芯和包层损耗 113
3.2 光纤中的信号畸变 114
3.2.1 色散综述 114
3.2.2 模式延迟 116
3.2.3 色散因素 118
3.2.4 群延迟 119
3.2.5 材料色散 121
3.2.6 波导色散 123
3.2.7 单模光纤的色散 124
3.2.8 偏振模色散 126
3.3 单模光纤性能 128
3.3.1 折射率剖面 128
3.3.2 截止波长 130
3.3.3 色散计算 132
3.3.4 模场直径 135
3.3.5 弯曲损耗 135
3.4 国际标准 138
3.4.1 G.651.1建议 138
3.4.2 G.652建议 138
3.4.3 G.653建议 141
3.4.4 G.654建议 141
3.4.5 G.655建议 141
3.4.6 G.656建议 141
3.4.7 G.657建议 142
3.5 特殊光纤 142
习题 145
参考文献 147
第4章 光源 151
4.1 半导体物理专题 152
4.1.1 能带 152
4.1.2 本征材料和非本征材料 154
4.1.3 pn结 156
4.1.4 直接带隙和间接带隙 157
4.1.5 半导体器件制作 158
4.2 发光二极管（LED） 158
4.2.1 LED的结构 158
4.2.2 光源材料 161
4.2.3 量子效率和LED发射功率 165
4.2.4 LED的调制特性 168
4.3 半导体激光器 170
4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件 171
4.3.2 半导体激光器的速率方程 177
4.3.3 外量子效率 178
4.3.4 谐振频率 179
4.3.5 半导体激光器结构和辐射方向图 180
4.3.6 单模激光器 185
4.3.7 半导体激光器的调制特性 189
4.3.8 激光器线宽 190
4.3.9 外调制 191
4.3.10 温度影响 193
4.4 线路编码 195
4.4.1 非归零和归零信号格式 195
4.4.2 分组码 196
4.5 光源的线性特性 196
4.6 可靠性考虑 198
4.7 单片封装光发送机 202
习题 204
参考文献 208
第5章 光功率发射和耦合 211
5.1 光源至光纤的功率发射 212
5.1.1 光源的输出方向图 212
5.1.2 功率耦合计算 213
5.1.3 发射功率与波长的关系 216
5.1.4 稳态数值孔径 217
5.2 改善耦合的透镜结构 218
5.2.1 非成像微球 219
5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合 220
5.3 光纤与光纤的连接 221
5.3.1 机械对准误差 223
5.3.2 光纤相关损耗 229
5.3.3 光纤端面制备 230
5.4 LED与单模光纤的耦合 231
5.5 光纤接头 232
5.5.1 连接方法 233
5.5.2 单模光纤的连接 234
5.6 光纤连接器 235
5.6.1 连接器的类型 235
5.6.2 单模光纤连接器 239
5.6.3 连接器回波衰减 240
习题 242
参考文献 244
第6章 光检测器 248
6.1 光电二极管的物理原理 249
6.1.1 pin光电二极管 249
6.1.2 雪崩光电二极管 253
6.2 光检测器噪声 257
6.2.1 噪声源 257
6.2.2 信噪比 261
6.2.3 噪声等效功率 262
6.3 检测器响应时间 263
6.3.1 耗尽层光电流 263
6.3.2 响应时间 264
6.3.3 双异质结光电二极管 267
6.4 雪崩倍增噪声 267
6.5 InGaAs APD结构 270
6.6 温度对雪崩增益的影响 270
6.7 光检测器比较 272
习题 273
参考文献 275
第7章 光接收机 277
7.1 接收机工作的基本原理 278
7.1.1 数字信号传输 278
7.1.2 误码源 280
7.1.3 前端放大器 282
7.2 数字接收机性能 283
7.2.1 差错概率 283
7.2.2 接收机灵敏度 287
7.2.3 量子极限 290
7.3 眼图 291
7.3.1 眼图的特征 291
7.3.2 BER和Q因子测量 293
7.4 突发模式接收机 294
7.5 模拟接收机 297
习题 300
参考文献 302
第8章 数字链路 304
8.1 点到点链路 305
8.1.1 系统考虑 306
8.1.2 链路功率预算 307
8.1.3 上升时间预算 310
8.1.4 短波长带 313
8.1.5 单模光纤的损耗受限距离 314
8.2 功率代价 316
8.2.1 色度色散代价 316
8.2.2 偏振模色散代价 318
8.2.3 消光比代价 319
8.2.4 模式色散 319
8.2.5 模分配噪声 322
8.2.6 啁啾 323
8.2.7 反射噪声 325
8.3 差错控制 327
8.3.1 误码检测概念 328
8.3.2 线型误码检测码 328
8.3.3 多项式码 329
8.3.4 前向纠错码 331
8.4 相干检测 332
8.4.1 基本概念 333
8.4.2 零差检测 335
8.4.3 外差检测 335
8.4.4 BER比较 336
8.5 差分四相移键控 342
习题 343
参考文献 345
第9章 模拟链路 350
9.1 模拟链路概述 351
9.2 载噪比 352
9.2.1 载波功率 352
9.2.2 光检测器和前置放大器噪声 353
9.2.3 相对强度噪声（RIN） 354
9.2.4 反射对RIN的影响 354
9.2.5 极限条件 356
9.3 多信道传输技术 357
9.3.1 多信道幅度调制 358
9.3.2 多信道频率调制 361
9.3.3 副载波复用 362
9.4 光载射频（ROF） 364
9.4.1 关键链路参数 364
9.4.2 无杂散动态范围 366
9.5 光载射频链路 368
9.5.1 ROF网络天线基站 368
9.5.2 多模光纤光载射频链路 369
9.6 微波光子学 370
习题 371
参考文献 373
第10章 波分复用概念及器件 376
10.1 WDM概述 377
10.1.1 WDM的工作原理 377
10.1.2 WDM标准 379
10.2 无源光耦合器 381
10.2.1 2×2光纤耦合器 381
10.2.2 散射矩阵表示法 385
10.2.3 2×2波导耦合器 387
10.2.4 星形耦合器 391
10.2.5 马赫-曾德尔干涉复用器 393
10.3 隔离器和环行器 396
10.3.1 光隔离器 396
10.3.2 光环形器 398
10.4 光纤光栅滤波器 399
10.4.1 光栅基础 399
10.4.2 光纤布拉格光栅 399
10.4.3 FBG的应用 402
10.5 介质薄膜滤波器 403
10.5.1 法布里-珀罗标准具理论 404
10.5.2 TFF的应用 406
10.6 基于相位阵列的WDM器件 407
10.7 衍射光栅 412
10.8 有源光器件 413
10.8.1 MEMS技术 413
10.8.2 可变光衰减器 414
10.8.3 可调谐光滤波器 415
10.8.4 动态增益均衡器 416
10.8.5 光分插复用器 417
10.8.6 偏振控制器 418
10.8.7 色度色散补偿 418
10.9 可调谐光源 419
习题 421
参考文献 425
第11章 光放大器 429
11.1 光放大器的基本应用和分类 429
11.1.1 一般应用 430
11.1.2 放大器的类型 431
11.2 半导体光放大器 433
11.2.1 外部泵浦 433
11.2.2 放大器增益 435
11.2.3 SOA的带宽 436
11.3 掺铒光纤放大器 437
11.3.1 放大机制 437
11.3.2 EDFA的结构 439
11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益 441
11.4 放大器噪声 445
11.5 光信噪比 449
11.6 系统应用 450
11.6.1 功率放大器 451
11.6.2 在线放大器 451
11.6.3 前置放大器 453
11.6.4 多信道运用 453
11.6.5 在线放大器增益控制 455
11.7 拉曼放大器 456
11.8 宽带光放大器 460
习题 461
参考文献 464
第12章 非线性效应 468
12.1 非线性效应概述 469
12.2 有效传输距离与有效面积 469
12.3 受激拉曼散射 471
12.4 受激布里渊散射 473
12.5 自相位调制 475
12.6 交叉相位调制 476
12.7 四波混频 477
12.8 四波混频的改善 479
12.9 波长转换器 480
12.9.1 光门波长转换器 480
12.9.2 波混频波长转换器 481
12.10 孤子 482
12.10.1 孤子脉冲 483
12.10.2 孤子参数 485
12.10.3 孤子宽度和间隔 487
习题 489
参考文献 490
第13章 光网络 493
13.1 网络概念 494
13.1.1 网络术语 494
13.1.2 网络分类 495
13.1.3 网络层 497
13.1.4 光层 499
13.2 网络拓扑 499
13.2.1 无源线形总线的性能 501
13.2.2 星形结构的性能 506
13.3 SONET/SDH 507
13.3.1 传输格式和速率 507
13.3.2 光接口 509
13.3.3 SONET/SDH环 511
13.3.4 SONET/SDH网络 515
13.4 高速光链路 516
13.4.1 10Gb/s光链路 517
13.4.2 40Gb/s光链路 519
13.4.3 40Gb/s和100Gb/s以太网标准 519
13.4.4 160Gb/s OTDM链路 520
13.5 光分插复用器 521
13.5.1 OADM的结构 522
13.5.2 可重构OADM 523
13.6 光交换 528
13.6.1 光交叉连接 529
13.6.2 波长变换 530
13.6.3 波长路由 533
13.6.4 光分组交换 534
13.6.5 光突发交换 535
13.7 WDM网络实例 537
13.7.1 宽带长途WDM网络 537
13.7.2 窄带城域WDM网络 539
13.8 无源光网络 540
13.8.1 基本的PON架构 540
13.8.2 有源PON模块 542
13.8.3 业务流量 544
13.8.4 GPON特性 544
13.8.5 WDM PON架构 548
13.9 DWDM直接承载IP 548
13.10 光以太网 550
13.10.1 基本的光以太网方案 550
13.10.2 EPON/GE-PON架构 552
13.10.3 城域光以太网 553
13.11 降低传输损伤 553
13.11.1 色度色散补偿光纤 554
13.11.2 布拉格光栅色散补偿器 555
13.11.3 偏振模色散补偿 556
13.11.4 光放大器增益瞬变 557
习题 558
参考文献 563
第14章 性能测量与监控 570
14.1 测量标准 571
14.2 基本测试设备 573
14.2.1 测试用光源 574
14.2.2 光谱分析仪 575
14.2.3 多功能光测试系统 576
14.2.4 光衰减器 576
14.2.5 光传送网测试仪 576
14.2.6 可视故障指示仪 577
14.3 光功率测量 577
14.3.1 光功率的定义 577
14.3.2 光功率计 578
14.4 光纤特性参数 578
14.4.1 折射近场法 579
14.4.2 传输近场法 579
14.4.3 损耗测量 579
14.4.4 色散测量 582
14.5 眼图 588
14.5.1 模板测试 589
14.5.2 压缩眼图 590
14.5.3 眼图轮廓 590
14.6 光时域反射仪（OTDR） 591
14.6.1 OTDR轨迹 592
14.6.2 损耗测量 593
14.6.3 OTDR盲区 594
14.6.4 光纤故障定位 595
14.6.5 光回波损耗 595
14.7 光性能监测 596
14.7.1 管理构架和功能 597
14.7.2 光层管理 598
14.7.3 OPM功能 600
14.7.4 网络维护 601
14.7.5 故障管理 602
14.7.6 OSNR监视 603
14.8 光纤系统性能测量 603
14.8.1 误码率测试 604
14.8.2 光信噪比评估 605
14.8.3 Q因子评估 607
14.8.4 光调制幅度（OMA）测量 609
14.8.5 定时抖动测量 610
习题 611
参考文献 613
附录A 国际单位制 617
附录B 常用数学关系式 618
附录C 贝塞尔函数 622
附录D 分贝 625
附录E 缩写术语表 627
附录F 拉丁文符号 633
附录G 希腊文符号 636
索引 637