光纖通信：通信用光纖、器件和系統(tǒng)

第1章  光纖與光纖通信  1
1.1  術(shù)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(dǎo)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(jì)算  10
1.5  光纖的偏振特性  10
1.6  光纖的光學(xué)性能和機(jī)械性能  11
1.6.1  衰減測(cè)量  11
1.6.2  色散與帶寬測(cè)量  13
1.6.3  光纖色散的位移與平坦  14
1.6.4  可靠性的評(píng)價(jià)  15
1.7  光纖通信  18
1.7.1  點(diǎn)到點(diǎn)線路  19
1.7.2  先進(jìn)的傳輸技術(shù)  24
1.8  光纖的非線性光學(xué)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(xué)與制造  35
1.9.1  常用光纖的制造  36
1.9.2  摻雜劑化學(xué)  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(xiàn)  39
1.11  進(jìn)一步閱讀的資料  43
第2章  光纖通信技術(shù)及系統(tǒng)概述  45
2.1  引言  45
2.2  基本技術(shù)  45
2.2.1  光纖  45
2.2.2  發(fā)射光源  48
2.2.3  光探測(cè)器  50
2.3  接收機(jī)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(dǎo)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(yīng)用  55
2.6  光纖網(wǎng)絡(luò)  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(shù)和應(yīng)用方向  58
2.9  參考文獻(xiàn)  59
第3章  光纖的非線性效應(yīng)  62
3.1  光纖非線性光學(xué)的關(guān)鍵問題  62
3.2  自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)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(jié)論  72
3.7  參考文獻(xiàn)  72
第4章  光纖通信系統(tǒng)用的光源、調(diào)制器和探測(cè)器  76
4.1  引言  76
4.2  雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)激光二極管  78
4.2.1  一個(gè)密度反轉(zhuǎn)注入有源區(qū)  78
4.2.2  在有源層平面內(nèi)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(jié)構(gòu)  80
4.2.5  光的橫向限制  80
4.2.6  傳導(dǎo)光沿著條形方向上的后向反射  81
4.2.7  安裝使光從側(cè)面發(fā)出  82
4.2.8  適合封裝在一個(gè)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(guān)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(yīng)  89
4.4.1  開通延遲  89
4.4.2  弛豫振蕩  90
4.4.3  調(diào)制響應(yīng)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(duì)強(qiáng)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(yīng)變激光器  101
4.6.1  量子阱激光器  101
4.6.2  應(yīng)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(yīng)  113
4.8.5  驅(qū)動(dòng)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(shù)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(diào)制器  120
4.10.1  電-光效應(yīng)  121
4.10.2  相位調(diào)制  123
4.10.3  Y形干涉型(馬赫-曾德爾)調(diào)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(guān)  125
4.10.7  光反射率和光損傷  125
4.10.8  δ-β反向調(diào)制器  125
4.11  光纖系統(tǒng)用電吸收調(diào)制器  126
4.11.1  電吸收強(qiáng)度調(diào)制  128
4.11.2  在半導(dǎo)體中施加一個(gè)電場(chǎng)  128
4.11.3  集成的調(diào)制器  129
4.11.4  工作特性  130
4.11.5  QW中的電吸收的先進(jìn)概念  131
4.12  電-光和電折射半導(dǎo)體調(diào)制器  132
4.12.1  半導(dǎo)體中的電-光效應(yīng)  132
4.12.2  半導(dǎo)體中的電折射  132
4.12.3  半導(dǎo)體干涉型調(diào)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(yīng)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(cè)器和肖特基二極管  142
4.14.1  雪崩探測(cè)器  142
4.14.2  MSM探測(cè)器  144
4.14.3  肖特基光電二極管  144
4.15  參考文獻(xiàn)  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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和光的相互作用  150
5.3.1  EDFA的能級(jí)  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(tǒng)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(xiàn)  153
第6章  光纖通信線路(電信、數(shù)據(jù)通信和模擬)  156
6.1  引言  156
6.2  品質(zhì)因數(shù)：SNR、BER、MER和SFDR  157
6.3  線路功率預(yù)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(guān)系  161
6.3.3  連接器損耗和接頭損耗  161
6.4  線路功率預(yù)算分析：光功率代價(jià)  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?dāng)_  167
6.4.5  相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)  167
6.4.6  抖動(dòng)  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(xiàn)  171
第7章  光纖通信系統(tǒng)中的光孤子  174
7.1  引言  174
7.2  經(jīng)典孤子的特性  174
7.3  光孤子的性能  177
7.4  經(jīng)典的光孤子傳輸系統(tǒng)  178
7.5  頻率導(dǎo)向?yàn)V波器  179
7.6  可調(diào)頻率導(dǎo)向?yàn)V波器  180
7.7  波分復(fù)用  181
7.8  色散管理光孤子  183
7.9  波分復(fù)用色散管理光孤子傳輸  186
7.10  結(jié)論  188
7.11  參考文獻(xiàn)  188
第8章  熔錐光纖耦合器、波分復(fù)用器和解復(fù)用器  193
8.1  引言  193
8.2  波長無關(guān)  194
8.3  波分復(fù)用  195
8.4  1×N光功率分配器  196
8.5  開關(guān)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(jié)論  198
8.9  參考文獻(xiàn)  198
第9章  光纖布拉格光柵  201
9.1  術(shù)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(yīng)用  207
9.7  參考文獻(xiàn)  208
第10章  組網(wǎng)的微光器件  211
10.1  引言  211
10.2  通用的器件  211
10.3  網(wǎng)絡(luò)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(fù)用器/解復(fù)用器/雙工器  213
10.3.6  機(jī)械開關(guān)  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(zhuǎn)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(fù)用器/解復(fù)用器/雙工器  217
10.5.5  機(jī)械開關(guān)  217
10.6  參考文獻(xiàn)  218
第11章  半導(dǎo)體光放大器和波長轉(zhuǎn)換  219
11.1  術(shù)語表  219
11.2  為什么要進(jìn)行光放大  220
11.2.1  光纖放大器  221
11.2.2  半導(dǎo)體放大器  221
11.3  為什么要進(jìn)行光波長轉(zhuǎn)換  224
11.3.1  改變光波長的方案  224
11.3.2  半導(dǎo)體光波轉(zhuǎn)換器  225
11.4  參考文獻(xiàn)  225
第12章  光時(shí)分復(fù)用通信網(wǎng)絡(luò)  227
12.1  術(shù)語表  227
12.1.1  定義  227
12.1.2  縮寫  227
12.1.3  符號(hào)  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(fù)用——發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的同步  234
12.2.6  數(shù)字信號(hào)——脈沖編碼調(diào)制  234
12.2.7  脈沖編碼調(diào)制  235
12.2.8  模-數(shù)轉(zhuǎn)換  236
12.2.9  二進(jìn)制數(shù)字和線路編碼的光表示方法  236
12.2.10  定時(shí)恢復(fù)  238
12.3  時(shí)分復(fù)用和時(shí)分多址  240
12.3.1  概述  240
12.3.2  時(shí)分多址  240
12.3.3  光域TDMA  242
12.3.4  時(shí)分復(fù)用  243
12.3.5  幀與體系  244
12.3.6  SONET和頻率調(diào)整  245
12.4  器件技術(shù)介紹  247
12.4.1  光時(shí)分復(fù)用——串行與并行  247
12.4.2  器件技術(shù)——發(fā)射機(jī)  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(diào)制或間接調(diào)制  252
12.4.7  外調(diào)制  253
12.4.8  電光調(diào)制器  253
12.4.9  電吸收調(diào)制器  254
12.4.10  光時(shí)鐘恢復(fù)  255
12.4.11  解復(fù)用的全光交換  258
12.4.12  接收機(jī)系統(tǒng)  259
12.4.13  超高速光時(shí)分復(fù)用光線路——一個(gè)論文實(shí)例  261
12.5  總結(jié)與展望  262
12.6  進(jìn)一步閱讀的資料  262
第13章  波分復(fù)用(WDM)光纖通信網(wǎng)絡(luò)  264
13.1  引言  264
13.1.1  光纖帶寬  264
13.1.2  WDM技術(shù)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(bǔ)償和色散管理  270
13.3  WDM網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)  273
13.3.1  點(diǎn)到點(diǎn)線路  273
13.3.2  波長路由網(wǎng)絡(luò)  274
13.3.3  WDM星、環(huán)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)  274
13.3.4  網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)性  275
13.3.5  電路交換和數(shù)據(jù)包交換  276
13.4  WDM網(wǎng)絡(luò)中的摻鉺光纖放大器  278
13.4.1  EDFA級(jí)聯(lián)的增益峰化  278
13.4.2  EDFA增益平坦  279
13.4.3  快速動(dòng)率瞬變  280
13.4.4  超寬帶EDFA  281
13.5  動(dòng)態(tài)信道功率均衡  282
13.6  WDM中的串?dāng)_  284
13.6.1  非相干串?dāng)_  284
13.6.2  相干串?dāng)_  284
13.7  總結(jié)  286
13.8  致謝  286
13.9  參考文獻(xiàn)  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(dǎo)  303
14.4.1  空心金屬和塑料波導(dǎo)  304
14.4.2  空心玻璃波導(dǎo)  304
14.5  總結(jié)和結(jié)論  306
14.6  參考文獻(xiàn)  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(yīng)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(jié)論  320
15.8  參考文獻(xiàn)  320
15.9  進(jìn)一步閱讀的資料  322
第16章  光纖通信標(biāo)準(zhǔn)  323
16.1  引言  323
16.2  ESCON  323
16.3  FDDI  324
16.4  光纖通道標(biāo)準(zhǔn)  325
16.5  ATM/SONET  327
16.6  吉比特以太網(wǎng)  328
16.7  參考文獻(xiàn)  329