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第1章 绪论1

1.1 光通信发展的技术背景1

1.2 现代光通信技术的产生和发展2

1.3 光通信系统的构成及其关键技术4

1.3.1 光纤5

1.3.2 光源和光发送机7

1.3.3 光检测器和光接收机8

1.3.4 空间光通信系统中的光学系统9

1.3.5 光电集成和光集成技术9

1.4 光通信技术发展展望10

小结11

思考题与习题11

第2章 光纤传输原理与传输特性12

2.1 光纤概述12

2.1.1 光纤的结构12

2.1.2 光纤的分类12

2.2 光纤传输的几何光学分析方法13

2.2.1 光线在不同媒质分界面上的反射和折射14

2.2.2 阶跃光纤中光线的传播14

2.2.3 梯度光纤中光线的传播17

2.3 阶跃光纤的模式理论19

2.3.1 光纤波导中的电磁场方程19

2.3.2 阶跃光纤中的电磁场解20

2.3.3 传播模式分类22

2.3.4 模式的截止参数和单模传输条件23

2.3.5 传播模的色散曲线26

2.3.6 导波模的场形图26

2.3.7 LP模28

2.3.8 传播模式的一般特性30

2.4 单模光纤32

2.4.1 单模条件和截止波长32

2.4.2 工作模特性33

2.4.3 单模光纤的双折射34

2.5 光纤的损耗37

2.5.1 损耗的概念及其表述37

2.5.2 石英光纤的损耗37

2.5.3 其他类型光纤的损耗39

2.5.4 弯曲损耗40

2.5.5 损耗测量40

2.6 光纤的色散41

2.6.1 色散的概念41

2.6.2 材料色散43

2.6.3 波导色散46

2.6.4 模式色散47

2.6.5 单模光纤色散48

2.6.6 色散对通信容量的影响52

2.6.7 色散补偿54

2.7 光纤的非线性特性57

2.7.1 光纤的非线性折射率57

2.7.2 自相位调制58

2.7.3 四波混频59

2.7.4 受激拉曼散射61

2.7.5 受激布里渊散射63

2.8 光纤的制造和光缆64

2.8.1 预制棒的制备64

2.8.2 光纤的拉制65

2.8.3 光缆67

小结68

思考题与习题68

第3章 无源光器件71

3.1 光纤连接器及定向耦合器71

3.1.1 光纤连接器71

3.1.2 定向耦合器74

3.2 波分复用及解复用器76

3.2.1 光波分复用及解复用器的性能参数76

3.2.2 复用及解复用器的原理和结构77

3.3 光调制器与光开关79

3.3.1 电光调制器79

3.3.2 电吸收调制器80

3.3.3 声光调制器80

3.3.4 光开关81

3.4 光隔离器和光环行器81

3.5 光纤布拉格光栅82

3.5.1 光纤布拉格光栅的光学特性83

3.5.2 光纤布拉格光栅滤波器84

3.5.3 光纤布拉格光栅色散补偿器86

3.5.4 光码分复用编解码器87

小结88

思考题与习题88

第4章 光源与光发送机89

4.1 物质与光之间的互作用89

4.1.1 光的波粒二象性89

4.1.2 原子的能级和半导体的能带89

4.1.3 物质与光的互作用90

4.2 半导体发光二极管91

4.2.1 半导体PN结的能带结构92

4.2.2 发光二极管的结构93

4.2.3 发光二极管的工作特性94

4.3 半导体激光器97

4.3.1 半导体激光器的基本结构及阈值条件97

4.3.2 半导体激光器的选频单元——F-P型光学谐振腔98

4.3.3 半导体激光器的工作特性101

4.3.4 窄线宽激光器105

4.4 光放大器106

4.4.1 半导体光放大器106

4.4.2 掺铒光纤放大器107

4.4.3 拉曼光纤放大器110

4.5 光发送机的基本组成及指标111

4.5.1 光源的调制112

4.5.2 模拟光发送机与数字光发送机的结构113

小结118

思考题与习题118

第5章 光检测器与光接收机120

5.1 光检测器120

5.1.1 光检测器的工作原理及特性120

5.1.2 PIN型光检测器122

5.1.3 雪崩光电二极管122

5.2 光接收机124

5.2.1 光接收机的构成及其主要性能指标124

5.2.2 前置放大器126

5.2.3 光接收机的噪声127

5.2.4 光接收机的信噪比129

5.2.5 数字光接收机的灵敏度131

小结133

思考题与习题134

第6章 光纤通信系统135

6.1 模拟光纤通信系统135

6.1.1 模拟调制方式135

6.1.2 模拟系统的主要性能指标137

6.1.3 模拟系统设计举例137

6.2 数字光纤通信系统的基本概念140

6.2.1 数字光纤通信系统的构成141

6.2.2 数字光纤通信系统的性能指标142

6.2.3 数模转换—脉冲编码调制142

6.2.4 数字传输体制143

6.3 准同步数字系列143

6.3.1 PDH的帧结构144

6.3.2 PDH的速率等级145

6.3.3 PDH的复用技术146

6.3.4 PDH的码速调整147

6.3.5 PDH光纤传输系统的组成148

6.3.6 PDH的缺点149

6.4 同步数字系列150

6.4.1 SONET和SDH的起源150

6.4.2 SDH的复用151

6.4.3 SONET/SDH帧结构152

6.4.4 我国采用的复用结构156

6.4.5 SDH设备157

6.5 线路编码157

6.5.1 分组码158

6.5.2 扰码158

6.5.3 前向纠错编码159

6.6 数字光链路设计159

6.6.1 链路的功率预算159

6.6.2 色散系统的上升时间预算160

6.7 波分复用系统162

6.7.1 波分复用系统的基本概念162

6.7.2 SDH与WDM的关系165

6.7.3 WDM的关键技术及其面对的主要问题166

6.8 相干光通信系统167

6.8.1 相干光通信的基本原理168

6.8.2 相干系统的光调制169

6.8.3 相干检测170

6.8.4 相干光系统的关键技术172

6.9 光孤子通信系统173

6.9.1 光纤孤子及其特性173

6.9.2 光纤损耗与能量补偿175

6.9.3 光孤子通信系统的基本组成177

小结178

思考题与习题178

第7章 光网络180

7.1 光网络的基本概念及构成180

7.1.1 光网络的基本概念180

7.1.2 光网络的基本构成182

7.2 SDH传送网183

7.2.1 SDH传送网分层模型183

7.2.2 SDH传送网物理拓扑结构185

7.2.3 SDH传送网的保护方法186

7.2.4 SDH的网络结构192

7.3 光传送网193

7.3.1 光传送网的分层结构194

7.3.2 光传送网的接口结构196

7.3.3 光传送网设备201

7.4 智能光网络209

7.4.1 智能光网络的基本概念209

7.4.2 ASON网络体系结构210

7.4.3 ASON的传送平面技术215

7.5 光突发交换网络217

7.5.1 光突发交换的基本概念218

7.5.2 光突发交换系统结构和网络模型219

7.5.3 光突发交换网的节点结构和关键技术221

7.6 光分组交换网络225

7.6.1 光分组交换的概念、特点及应用226

7.6.2 光分组交换网结构的协议参考模型228

7.6.3 光分组的格式229

7.6.4 光分组交换网节点的基本结构230

7.7 光接入网231

7.7.1 光接入网概述231

7.7.2 基于以太网的无源光网络234

7.7.3 GPON237

小结239

思考题与习题239

第8章 大气激光通信241

8.1 概述241

8.1.1 大气激光通信的研究进展241

8.1.2 大气激光通信的应用优势243

8.1.3 大气激光通信面临的主要问题243

8.2 激光在大气信道中的传播特性244

8.2.1 大气的特点244

8.2.2 大气对激光束传播的影响244

8.2.3 大气信道模型248

8.3 用于大气激光通信的关键器件和技术253

8.3.1 半导体光源253

8.3.2 光检测器259

8.3.3 半导体光源的光学准直260

8.3.4 窄带光学滤波器262

8.3.5 光学天线263

8.3.6 自适应光学技术268

8.3.7 Turbo码技术270

8.4 调制方式273

8.4.1 单脉冲脉位调制273

8.4.2 差分脉位调制274

8.4.3 多脉冲PPM调制275

8.4.4 解调及比较275

8.5 大气激光通信系统276

8.5.1 系统框图277

8.5.2 系统各单元功能277

8.5.3 大气激光通信中其他问题的考虑279

8.5.4 大气激光通信端设备实例281

8.6 大气激光通信的应用284

8.6.1 应用场合284

8.6.2 组网应用285

小结286

思考题与习题286

第9章 星间激光通信288

9.1 概述288

9.1.1 卫星通信系统简介288

9.1.2 星间激光通信的提出及其优势289

9.1.3 星间激光通信的发展现状289

9.1.4 星间激光通信系统构成291

9.2 星间激光链路的种类292

9.2.1 GEO-LEO激光链路292

9.2.2 GEO-GEO激光链路293

9.2.3 LEO-LEO激光链路293

9.2.4 星地激光链路293

9.3 光学天线294

9.3.1 自由空间损耗294

9.3.2 光学天线增益294

9.3.3 星间激光通信中的光学天线295

9.3.4 卡塞格伦式光学天线分析296

9.4 PAT子系统299

9.4.1 光束发散角299

9.4.2 瞄准误差与天线增益的关系300

9.4.3 星间激光通信中的PAT子系统300

9.4.4 PAT中的误差检测器件302

9.4.5 PAT中的光束方向调整装置305

9.4.6 PAT子系统的工作原理306

9.4.7 PAT子系统的性能参数309

9.4.8 跟踪残差与等效光功率损耗310

9.4.9 跟踪残差与发送天线的优化313

9.4.10 一种典型的PAT子系统结构314

9.5 通信子系统315

9.5.1 通信子系统构成315

9.5.2 IM/DD系统性能分析316

9.5.3 相干光通信系统性能分析319

9.6 卫星光通信中的“短时可用性”性能评估方法320

9.6.1 误码率评估方法存在的局限320

9.6.2 基于“短时可用性”的系统性能评估方法320

9.6.3 系统“短时可用性”的估计322

9.6.4 短时可用性评价结论和BER评价结论之间的对比329

9.7 多普勒效应的影响329

9.7.1 光波的多普勒频移329

9.7.2 星间激光链路的多普勒频移分析330

9.7.3 对系统的影响及对策332

9.8 两种星间激光通信系统简介334

9.8.1 SILEX334

9.8.2 ETS-VI/LCE337

小结340

思考题与习题340

第10章 水下激光通信341

10.1 概述341

10.1.1 水下光通信的提出341

10.1.2 对潜激光通信的研究进展341

10.2 海水信道342

10.2.1 海水的透射光谱特性342

10.2.2 海水对激光束传播的影响342

10.2.3 海水信道特性344

10.3 光源技术346

10.3.1 对光源的基本要求346

10.3.2 固体蓝光激光器347

10.4 对潜蓝绿激光通信系统352

10.4.1 三种对潜激光通信方案352

10.4.2 陆基系统353

10.4.3 天基系统353

10.4.4 空基系统353

小结354

思考题与习题354

参考文献355