光纖通信：通信用光纖、器件和系統

第1章  光纖與光纖通信  1
1.1  術語表  1
1.2  引言  3
1.3  工作原理  4
1.4  光纖色散與衰減  7
1.4.1  衰減  7
1.4.2  模間色散  8
1.4.3  材料色散  8
1.4.4  波導色散和折射率分布色散  8
1.4.5  描述光纖的歸一化變量  9
1.4.6  光纖色散的計算  10
1.5  光纖的偏振特性  10
1.6  光纖的光學性能和機械性能  11
1.6.1  衰減測量  11
1.6.2  色散與帶寬測量  13
1.6.3  光纖色散的位移與平坦  14
1.6.4  可靠性的評價  15
1.7  光纖通信  18
1.7.1  點到點線路  19
1.7.2  先進的傳輸技術  24
1.8  光纖的非線性光學性能  31
1.8.1  受激散射過程  31
1.8.2  脈沖壓縮與光孤子傳輸  32
1.8.3  四波混頻  34
1.8.4  光纖中的光折射非線性  34
1.9  光纖材料：化學與制造  35
1.9.1  常用光纖的制造  36
1.9.2  摻雜劑化學  37
1.9.3  其它制造方法  38
1.9.4  紅外光纖制造  38
1.10  參考文獻  39
1.11  進一步閱讀的資料  43
第2章  光纖通信技術及系統概述  45
2.1  引言  45
2.2  基本技術  45
2.2.1  光纖  45
2.2.2  發(fā)射光源  48
2.2.3  光探測器  50
2.3  接收機靈敏度  50
2.4  速率和距離限制  53
2.4.1  提高速率  53
2.4.2  更長的中繼距離  54
2.5  光放大器  54
2.5.1  半導體放大器和光纖放大器的比較  55
2.5.2  光放大器在通信中的應用  55
2.6  光纖網絡  55
2.7  光纖中的模擬傳輸  56
2.7.1  載噪比(CNR)  56
2.7.2  光纖中的模擬視頻傳輸  57
2.7.3  非線性畸變  58
2.8  技術和應用方向  58
2.9  參考文獻  59
第3章  光纖的非線性效應  62
3.1  光纖非線性光學的關鍵問題  62
3.2  自相位調制和交叉相位調制  63
3.3  受激拉曼散射  65
3.4  受激布里淵散射  68
3.5  四波混合  69
3.6  結論  72
3.7  參考文獻  72
第4章  光纖通信系統用的光源、調制器和探測器  76
4.1  引言  76
4.2  雙異質結結構激光二極管  78
4.2.1  一個密度反轉注入有源區(qū)  78
4.2.2  在有源層平面內的載流子的限制  79
4.2.3  在有源層附近的光的限制  79
4.2.4  限制載流子注入條形幾何結構  80
4.2.5  光的橫向限制  80
4.2.6  傳導光沿著條形方向上的后向反射  81
4.2.7  安裝使光從側面發(fā)出  82
4.2.8  適合封裝在一個密封盒  82
4.2.9  光纖尾纖連接  82
4.2.10  壽命  83
4.3  激光二極管的工作特性  83
4.3.1  激光器閾值  83
4.3.2  光輸出與電流輸入(L-I曲線)  84
4.3.3  溫度與激光器性能的關系  86
4.3.4  發(fā)光的空間特性  86
4.3.5  激光器光的光譜特性  88
4.3.6  偏振  88
4.4  激光二極管的瞬態(tài)響應  89
4.4.1  開通延遲  89
4.4.2  弛豫振蕩  90
4.4.3  調制響應和增益飽和  92
4.4.4  頻率啁啾  93
4.5  激光二極管的噪聲特性  94
4.5.1  相對強度噪聲(RIN)  94
4.5.2  信噪比(SNR)  95
4.5.3  多模激光器的模分配噪聲  96
4.5.4  相位噪聲一線寬  97
4.5.5  外部光反饋和相干破壞  97
4.6  量子阱激光器和應變激光器  101
4.6.1  量子阱激光器  101
4.6.2  應變層量子阱激光器  102
4.7  分布反饋(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  分布反饋(DFB)激光器  106
4.8  發(fā)光二極管(LED)  108
4.8.1  面發(fā)光LED  110
4.8.2  邊發(fā)光LED  112
4.8.3  LED的工作特性  112
4.8.4  瞬態(tài)響應  113
4.8.5  驅動電路和封裝  114
4.9  垂直腔表面發(fā)光激光器(VCSEL)  114
4.9.1  量子阱的數量  115
4.9.2  鏡面反射率  115
4.9.3  電注入  116
4.9.4  發(fā)射光的空間特性  117
4.9.5  光輸出與電流輸出  118
4.9.6  光譜特性  118
4.9.7  偏振  119
4.9.8  其它波長的VCSEL  119
4.10  鈮酸鋰調制器  120
4.10.1  電-光效應  121
4.10.2  相位調制  123
4.10.3  Y形干涉型(馬赫-曾德爾)調制器  123
4.10.4  高速工作  124
4.10.5  插入損耗  125
4.10.6  偏振無關  125
4.10.7  光反射率和光損傷  125
4.10.8  δ-β反向調制器  125
4.11  光纖系統用電吸收調制器  126
4.11.1  電吸收強度調制  128
4.11.2  在半導體中施加一個電場  128
4.11.3  集成的調制器  129
4.11.4  工作特性  130
4.11.5  QW中的電吸收的先進概念  131
4.12  電-光和電折射半導體調制器  132
4.12.1  半導體中的電-光效應  132
4.12.2  半導體中的電折射  132
4.12.3  半導體干涉型調制器  133
4.13  PIN二極管  134
4.13.1  典型的幾何形狀  135
4.13.2  靈敏度(響應度)  136
4.13.3  速度  138
4.13.4  暗電流  139
4.13.5  光電二極管的噪聲  140
4.14  雪崩光電二極管、MSM探測器和肖特基二極管  142
4.14.1  雪崩探測器  142
4.14.2  MSM探測器  144
4.14.3  肖特基光電二極管  144
4.15  參考文獻  145
第5 章  光纖放大器  148
5.1  引言  148
5.2  摻稀土元素放大器的結構和工作  149
5.2.1  泵浦配置和最佳的放大器長度  149
5.2.2  工作狀態(tài)  149
5.3  EDFA的物理結構和光的相互作用  150
5.3.1  EDFA的能級  150
5.3.2  增益形成  150
5.3.3  EDFA的泵浦波長的選擇  151
5.3.4  噪聲  152
5.3.5  增益平坦  152
5.4  其它稀土元素系統中的增益形成  153
5.4.1  摻鐠光纖放大器(PDFA)  153
5.4.2  摻鉺/鐿光纖放大器(E/YDFA)  153
5.5  參考文獻  153
第6章  光纖通信線路(電信、數據通信和模擬)  156
6.1  引言  156
6.2  品質因數：SNR、BER、MER和SFDR  157
6.3  線路功率預算分析：安裝損耗  161
6.3.1  傳輸損耗  161
6.3.2  衰減與波長的關系  161
6.3.3  連接器損耗和接頭損耗  161
6.4  線路功率預算分析：光功率代價  162
6.4.1  色散  163
6.4.2  模分配噪聲  165
6.4.3  消光比  167
6.4.4  多路串擾  167
6.4.5  相對強度噪聲(RIN)  167
6.4.6  抖動  168
6.4.7  模噪聲  170
6.4.8  輻射引起的損耗  170
6.5  參考文獻  171
第7章  光纖通信系統中的光孤子  174
7.1  引言  174
7.2  經典孤子的特性  174
7.3  光孤子的性能  177
7.4  經典的光孤子傳輸系統  178
7.5  頻率導向濾波器  179
7.6  可調頻率導向濾波器  180
7.7  波分復用  181
7.8  色散管理光孤子  183
7.9  波分復用色散管理光孤子傳輸  186
7.10  結論  188
7.11  參考文獻  188
第8章  熔錐光纖耦合器、波分復用器和解復用器  193
8.1  引言  193
8.2  波長無關  194
8.3  波分復用  195
8.4  1×N光功率分配器  196
8.5  開關和衰減器  196
8.6  馬赫-曾德爾器件  196
8.7  偏振器件  197
8.8  結論  198
8.9  參考文獻  198
第9章  光纖布拉格光柵  201
9.1  術語表  201
9.2  引言  201
9.3  光敏性  202
9.4  布拉格光柵的性能  203
9.5  光纖光柵的制造  204
9.6  光纖光柵的應用  207
9.7  參考文獻  208
第10章  組網的微光器件  211
10.1  引言  211
10.2  通用的器件  211
10.3  網絡功能  211
10.3.1  衰減器  212
10.3.2  光功率分配器和方向耦合器  212
10.3.3  隔離器  212
10.3.4  環(huán)形器  212
10.3.5  復用器/解復用器/雙工器  213
10.3.6  機械開關  213
10.4  子器件  213
10.4.1  棱鏡  213
10.4.2  光柵  214
10.4.3  濾波器  214
10.4.4  光束分路器  214
10.4.5  法拉第旋轉器  215
10.4.6  偏振器  215
10.4.7  自聚焦棒透鏡  215
10.5  器件  215
10.5.1  衰減器  216
10.5.2  功率分配和方向耦合器  216
10.5.3  隔離器和環(huán)路器  216
10.5.4  復用器/解復用器/雙工器  217
10.5.5  機械開關  217
10.6  參考文獻  218
第11章  半導體光放大器和波長轉換  219
11.1  術語表  219
11.2  為什么要進行光放大  220
11.2.1  光纖放大器  221
11.2.2  半導體放大器  221
11.3  為什么要進行光波長轉換  224
11.3.1  改變光波長的方案  224
11.3.2  半導體光波轉換器  225
11.4  參考文獻  225
第12章  光時分復用通信網絡  227
12.1  術語表  227
12.1.1  定義  227
12.1.2  縮寫  227
12.1.3  符號  228
12.2  引言  229
12.2.1  基本概念  229
12.2.2  取樣  229
12.2.3  抽樣定理  230
12.2.4  插入  232
12.2.5  解復用——發(fā)射機和接收機的同步  234
12.2.6  數字信號——脈沖編碼調制  234
12.2.7  脈沖編碼調制  235
12.2.8  模-數轉換  236
12.2.9  二進制數字和線路編碼的光表示方法  236
12.2.10  定時恢復  238
12.3  時分復用和時分多址  240
12.3.1  概述  240
12.3.2  時分多址  240
12.3.3  光域TDMA  242
12.3.4  時分復用  243
12.3.5  幀與體系  244
12.3.6  SONET和頻率調整  245
12.4  器件技術介紹  247
12.4.1  光時分復用——串行與并行  247
12.4.2  器件技術——發(fā)射機  247
12.4.3  法布里-珀羅激光器  248
12.4.4  分布反饋激光器  249
12.4.5  鎖模激光器  251
12.4.6  直接調制或間接調制  252
12.4.7  外調制  253
12.4.8  電光調制器  253
12.4.9  電吸收調制器  254
12.4.10  光時鐘恢復  255
12.4.11  解復用的全光交換  258
12.4.12  接收機系統  259
12.4.13  超高速光時分復用光線路——一個論文實例  261
12.5  總結與展望  262
12.6  進一步閱讀的資料  262
第13章  波分復用(WDM)光纖通信網絡  264
13.1  引言  264
13.1.1  光纖帶寬  264
13.1.2  WDM技術介紹  265
13.2  光纖損傷  266
13.2.1  色散  266
13.2.2  光纖非線性  268
13.2.3  色散補償和色散管理  270
13.3  WDM網絡的基本結構  273
13.3.1  點到點線路  273
13.3.2  波長路由網絡  274
13.3.3  WDM星、環(huán)和網狀結構  274
13.3.4  網絡重構性  275
13.3.5  電路交換和數據包交換  276
13.4  WDM網絡中的摻鉺光纖放大器  278
13.4.1  EDFA級聯的增益峰化  278
13.4.2  EDFA增益平坦  279
13.4.3  快速動率瞬變  280
13.4.4  超寬帶EDFA  281
13.5  動態(tài)信道功率均衡  282
13.6  WDM中的串擾  284
13.6.1  非相干串擾  284
13.6.2  相干串擾  284
13.7  總結  286
13.8  致謝  286
13.9  參考文獻  287
第14章  紅外光纖  294
14.1  引言  294
14.2  非氧化物和重金屬氧化物玻璃IR光纖  297
14.2.1  HMFG光纖  297
14.2.2  鍺酸鹽光纖  299
14.2.3  硫化物光纖  299
14.3  晶體光纖  300
14.3.1  PC光纖  301
14.3.2  SC光纖  302
14.4  空心波導  303
14.4.1  空心金屬和塑料波導  304
14.4.2  空心玻璃波導  304
14.5  總結和結論  306
14.6  參考文獻  306
第15章  光纖傳感器  310
15.1  引言  310
15.2  非本征法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?nbsp; 310
15.3  本征法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅?nbsp; 312
15.4  光纖布拉格光柵傳感器  313
15.4.1  工作原理  313
15.4.2  布拉格光柵傳感器制造  314
15.4.3  布拉格光柵傳感器  315
15.4.4  布拉格光柵應變傳感器的限制因素  316
15.5  長周期光柵傳感器  316
15.5.1  工作原理  317
15.5.2  LPG制造過程  317
15.5.3  長周期光柵的溫度敏感性  319
15.6  傳感方案的比較  320
15.7  結論  320
15.8  參考文獻  320
15.9  進一步閱讀的資料  322
第16章  光纖通信標準  323
16.1  引言  323
16.2  ESCON  323
16.3  FDDI  324
16.4  光纖通道標準  325
16.5  ATM/SONET  327
16.6  吉比特以太網  328
16.7  參考文獻  329