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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