光纤通信：通信用光纤、器件和系统

第1章  光纤与光纤通信  1
1.1  术语表  1
1.2  引言  3
1.3  工作原理  4
1.4  光纤色散与衰减  7
1.4.1  衰减  7
1.4.2  模间色散  8
1.4.3  材料色散  8
1.4.4  波导色散和折射率分布色散  8
1.4.5  描述光纤的归一化变量  9
1.4.6  光纤色散的计算  10
1.5  光纤的偏振特性  10
1.6  光纤的光学性能和机械性能  11
1.6.1  衰减测量  11
1.6.2  色散与带宽测量  13
1.6.3  光纤色散的位移与平坦  14
1.6.4  可靠性的评价  15
1.7  光纤通信  18
1.7.1  点到点线路  19
1.7.2  先进的传输技术  24
1.8  光纤的非线性光学性能  31
1.8.1  受激散射过程  31
1.8.2  脉冲压缩与光孤子传输  32
1.8.3  四波混频  34
1.8.4  光纤中的光折射非线性  34
1.9  光纤材料：化学与制造  35
1.9.1  常用光纤的制造  36
1.9.2  掺杂剂化学  37
1.9.3  其它制造方法  38
1.9.4  红外光纤制造  38
1.10  参考文献  39
1.11  进一步阅读的资料  43
第2章  光纤通信技术及系统概述  45
2.1  引言  45
2.2  基本技术  45
2.2.1  光纤  45
2.2.2  发射光源  48
2.2.3  光探测器  50
2.3  接收机灵敏度  50
2.4  速率和距离限制  53
2.4.1  提高速率  53
2.4.2  更长的中继距离  54
2.5  光放大器  54
2.5.1  半导体放大器和光纤放大器的比较  55
2.5.2  光放大器在通信中的应用  55
2.6  光纤网络  55
2.7  光纤中的模拟传输  56
2.7.1  载噪比(CNR)  56
2.7.2  光纤中的模拟视频传输  57
2.7.3  非线性畸变  58
2.8  技术和应用方向  58
2.9  参考文献  59
第3章  光纤的非线性效应  62
3.1  光纤非线性光学的关键问题  62
3.2  自相位调制和交叉相位调制  63
3.3  受激拉曼散射  65
3.4  受激布里渊散射  68
3.5  四波混合  69
3.6  结论  72
3.7  参考文献  72
第4章  光纤通信系统用的光源、调制器和探测器  76
4.1  引言  76
4.2  双异质结结构激光二极管  78
4.2.1  一个密度反转注入有源区  78
4.2.2  在有源层平面内的载流子的限制  79
4.2.3  在有源层附近的光的限制  79
4.2.4  限制载流子注入条形几何结构  80
4.2.5  光的横向限制  80
4.2.6  传导光沿着条形方向上的后向反射  81
4.2.7  安装使光从侧面发出  82
4.2.8  适合封装在一个密封盒  82
4.2.9  光纤尾纤连接  82
4.2.10  寿命  83
4.3  激光二极管的工作特性  83
4.3.1  激光器阈值  83
4.3.2  光输出与电流输入(L-I曲线)  84
4.3.3  温度与激光器性能的关系  86
4.3.4  发光的空间特性  86
4.3.5  激光器光的光谱特性  88
4.3.6  偏振  88
4.4  激光二极管的瞬态响应  89
4.4.1  开通延迟  89
4.4.2  弛豫振荡  90
4.4.3  调制响应和增益饱和  92
4.4.4  频率啁啾  93
4.5  激光二极管的噪声特性  94
4.5.1  相对强度噪声(RIN)  94
4.5.2  信噪比(SNR)  95
4.5.3  多模激光器的模分配噪声  96
4.5.4  相位噪声一线宽  97
4.5.5  外部光反馈和相干破坏  97
4.6  量子阱激光器和应变激光器  101
4.6.1  量子阱激光器  101
4.6.2  应变层量子阱激光器  102
4.7  分布反馈(DFB)和分布布拉格反射器(DBR)激光器  104
4.7.1  分布的布拉格反射器(DBR)激光器  105
4.7.2  分布反馈(DFB)激光器  106
4.8  发光二极管(LED)  108
4.8.1  面发光LED  110
4.8.2  边发光LED  112
4.8.3  LED的工作特性  112
4.8.4  瞬态响应  113
4.8.5  驱动电路和封装  114
4.9  垂直腔表面发光激光器(VCSEL)  114
4.9.1  量子阱的数量  115
4.9.2  镜面反射率  115
4.9.3  电注入  116
4.9.4  发射光的空间特性  117
4.9.5  光输出与电流输出  118
4.9.6  光谱特性  118
4.9.7  偏振  119
4.9.8  其它波长的VCSEL  119
4.10  铌酸锂调制器  120
4.10.1  电-光效应  121
4.10.2  相位调制  123
4.10.3  Y形干涉型(马赫-曾德尔)调制器  123
4.10.4  高速工作  124
4.10.5  插入损耗  125
4.10.6  偏振无关  125
4.10.7  光反射率和光损伤  125
4.10.8  δ-β反向调制器  125
4.11  光纤系统用电吸收调制器  126
4.11.1  电吸收强度调制  128
4.11.2  在半导体中施加一个电场  128
4.11.3  集成的调制器  129
4.11.4  工作特性  130
4.11.5  QW中的电吸收的先进概念  131
4.12  电-光和电折射半导体调制器  132
4.12.1  半导体中的电-光效应  132
4.12.2  半导体中的电折射  132
4.12.3  半导体干涉型调制器  133
4.13  PIN二极管  134
4.13.1  典型的几何形状  135
4.13.2  灵敏度(响应度)  136
4.13.3  速度  138
4.13.4  暗电流  139
4.13.5  光电二极管的噪声  140
4.14  雪崩光电二极管、MSM探测器和肖特基二极管  142
4.14.1  雪崩探测器  142
4.14.2  MSM探测器  144
4.14.3  肖特基光电二极管  144
4.15  参考文献  145
第5 章  光纤放大器  148
5.1  引言  148
5.2  掺稀土元素放大器的结构和工作  149
5.2.1  泵浦配置和最佳的放大器长度  149
5.2.2  工作状态  149
5.3  EDFA的物理结构和光的相互作用  150
5.3.1  EDFA的能级  150
5.3.2  增益形成  150
5.3.3  EDFA的泵浦波长的选择  151
5.3.4  噪声  152
5.3.5  增益平坦  152
5.4  其它稀土元素系统中的增益形成  153
5.4.1  掺镨光纤放大器(PDFA)  153
5.4.2  掺铒/镱光纤放大器(E/YDFA)  153
5.5  参考文献  153
第6章  光纤通信线路(电信、数据通信和模拟)  156
6.1  引言  156
6.2  品质因数：SNR、BER、MER和SFDR  157
6.3  线路功率预算分析：安装损耗  161
6.3.1  传输损耗  161
6.3.2  衰减与波长的关系  161
6.3.3  连接器损耗和接头损耗  161
6.4  线路功率预算分析：光功率代价  162
6.4.1  色散  163
6.4.2  模分配噪声  165
6.4.3  消光比  167
6.4.4  多路串扰  167
6.4.5  相对强度噪声(RIN)  167
6.4.6  抖动  168
6.4.7  模噪声  170
6.4.8  辐射引起的损耗  170
6.5  参考文献  171
第7章  光纤通信系统中的光孤子  174
7.1  引言  174
7.2  经典孤子的特性  174
7.3  光孤子的性能  177
7.4  经典的光孤子传输系统  178
7.5  频率导向滤波器  179
7.6  可调频率导向滤波器  180
7.7  波分复用  181
7.8  色散管理光孤子  183
7.9  波分复用色散管理光孤子传输  186
7.10  结论  188
7.11  参考文献  188
第8章  熔锥光纤耦合器、波分复用器和解复用器  193
8.1  引言  193
8.2  波长无关  194
8.3  波分复用  195
8.4  1×N光功率分配器  196
8.5  开关和衰减器  196
8.6  马赫-曾德尔器件  196
8.7  偏振器件  197
8.8  结论  198
8.9  参考文献  198
第9章  光纤布拉格光栅  201
9.1  术语表  201
9.2  引言  201
9.3  光敏性  202
9.4  布拉格光栅的性能  203
9.5  光纤光栅的制造  204
9.6  光纤光栅的应用  207
9.7  参考文献  208
第10章  组网的微光器件  211
10.1  引言  211
10.2  通用的器件  211
10.3  网络功能  211
10.3.1  衰减器  212
10.3.2  光功率分配器和方向耦合器  212
10.3.3  隔离器  212
10.3.4  环形器  212
10.3.5  复用器/解复用器/双工器  213
10.3.6  机械开关  213
10.4  子器件  213
10.4.1  棱镜  213
10.4.2  光栅  214
10.4.3  滤波器  214
10.4.4  光束分路器  214
10.4.5  法拉第旋转器  215
10.4.6  偏振器  215
10.4.7  自聚焦棒透镜  215
10.5  器件  215
10.5.1  衰减器  216
10.5.2  功率分配和方向耦合器  216
10.5.3  隔离器和环路器  216
10.5.4  复用器/解复用器/双工器  217
10.5.5  机械开关  217
10.6  参考文献  218
第11章  半导体光放大器和波长转换  219
11.1  术语表  219
11.2  为什么要进行光放大  220
11.2.1  光纤放大器  221
11.2.2  半导体放大器  221
11.3  为什么要进行光波长转换  224
11.3.1  改变光波长的方案  224
11.3.2  半导体光波转换器  225
11.4  参考文献  225
第12章  光时分复用通信网络  227
12.1  术语表  227
12.1.1  定义  227
12.1.2  缩写  227
12.1.3  符号  228
12.2  引言  229
12.2.1  基本概念  229
12.2.2  取样  229
12.2.3  抽样定理  230
12.2.4  插入  232
12.2.5  解复用——发射机和接收机的同步  234
12.2.6  数字信号——脉冲编码调制  234
12.2.7  脉冲编码调制  235
12.2.8  模-数转换  236
12.2.9  二进制数字和线路编码的光表示方法  236
12.2.10  定时恢复  238
12.3  时分复用和时分多址  240
12.3.1  概述  240
12.3.2  时分多址  240
12.3.3  光域TDMA  242
12.3.4  时分复用  243
12.3.5  帧与体系  244
12.3.6  SONET和频率调整  245
12.4  器件技术介绍  247
12.4.1  光时分复用——串行与并行  247
12.4.2  器件技术——发射机  247
12.4.3  法布里-珀罗激光器  248
12.4.4  分布反馈激光器  249
12.4.5  锁模激光器  251
12.4.6  直接调制或间接调制  252
12.4.7  外调制  253
12.4.8  电光调制器  253
12.4.9  电吸收调制器  254
12.4.10  光时钟恢复  255
12.4.11  解复用的全光交换  258
12.4.12  接收机系统  259
12.4.13  超高速光时分复用光线路——一个论文实例  261
12.5  总结与展望  262
12.6  进一步阅读的资料  262
第13章  波分复用(WDM)光纤通信网络  264
13.1  引言  264
13.1.1  光纤带宽  264
13.1.2  WDM技术介绍  265
13.2  光纤损伤  266
13.2.1  色散  266
13.2.2  光纤非线性  268
13.2.3  色散补偿和色散管理  270
13.3  WDM网络的基本结构  273
13.3.1  点到点线路  273
13.3.2  波长路由网络  274
13.3.3  WDM星、环和网状结构  274
13.3.4  网络重构性  275
13.3.5  电路交换和数据包交换  276
13.4  WDM网络中的掺铒光纤放大器  278
13.4.1  EDFA级联的增益峰化  278
13.4.2  EDFA增益平坦  279
13.4.3  快速动率瞬变  280
13.4.4  超宽带EDFA  281
13.5  动态信道功率均衡  282
13.6  WDM中的串扰  284
13.6.1  非相干串扰  284
13.6.2  相干串扰  284
13.7  总结  286
13.8  致谢  286
13.9  参考文献  287
第14章  红外光纤  294
14.1  引言  294
14.2  非氧化物和重金属氧化物玻璃IR光纤  297
14.2.1  HMFG光纤  297
14.2.2  锗酸盐光纤  299
14.2.3  硫化物光纤  299
14.3  晶体光纤  300
14.3.1  PC光纤  301
14.3.2  SC光纤  302
14.4  空心波导  303
14.4.1  空心金属和塑料波导  304
14.4.2  空心玻璃波导  304
14.5  总结和结论  306
14.6  参考文献  306
第15章  光纤传感器  310
15.1  引言  310
15.2  非本征法布里-珀罗干涉传感器  310
15.3  本征法布里-珀罗干涉传感器  312
15.4  光纤布拉格光栅传感器  313
15.4.1  工作原理  313
15.4.2  布拉格光栅传感器制造  314
15.4.3  布拉格光栅传感器  315
15.4.4  布拉格光栅应变传感器的限制因素  316
15.5  长周期光栅传感器  316
15.5.1  工作原理  317
15.5.2  LPG制造过程  317
15.5.3  长周期光栅的温度敏感性  319
15.6  传感方案的比较  320
15.7  结论  320
15.8  参考文献  320
15.9  进一步阅读的资料  322
第16章  光纤通信标准  323
16.1  引言  323
16.2  ESCON  323
16.3  FDDI  324
16.4  光纤通道标准  325
16.5  ATM/SONET  327
16.6  吉比特以太网  328
16.7  参考文献  329