光纤通信（第五版）

本书系统地介绍了光纤通信的各方面知识。全书共14章，内容涵盖光纤传输原理和传输特性，半导体光源和光检测器的工作原理与工作特性，数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统，光放大器的工作原理和性能，WDM系统原理与器件，光网络与光交换，光纤通信系统的性能测量及管理。与前一版相比， 新增了高级光调制格式、100 Gbps和400 Gbps链路、光纤的非线性效应、光子晶体光纤、高速通信中的前向纠错、光载射频（ROF）及光缆铺设等新内容。

Gerd Keiser 国立台湾科技大学电子工程系科学顾问委员会客座教授。他的教学科研兴趣包括光子器件研发、光传输系统、光纤到驻地网络、智能建筑和智能家庭网络以及生物医学光子学。此外，他还是光子通信联盟的发起人和首席顾问。他曾在Honeywell，GTE和通用动力等公司任职，从事光网络和数字交换技术的开发与应用。他在GTE的技术成就赢得了Leslie Award奖。他还担任过美国东北大学、塔夫茨大学和波士顿大学的兼职教授。Keiser博士是IEEE会士、OSA和SPIE会员、Optical Fiber Technology 杂志副主编、4本研究生教材的作者。

蒲涛，中国人民解放军理工大学通信工程学院光电技术教研中心教授，研究方向：光纤通信，光纤传感，光纤光栅，光码分多址通信，微波光子学。

第1章光纤通信概述

1．1光通信的发展动力

1．1．1光网络的发展历程

1．1．2光纤的优点

1．2光频谱带

1．2．1电磁能量

1．2．2工作窗口和光频带

1．3分贝单位

1．4网络信息速率

1．4．1电信信号复用

1．4．2SONET/SDH复用体系

1．5光信道复用

1．5．1WDM概述

1．5．2偏振复用

1．5．3模分复用

1．5．4多芯光纤

1．6光纤通信系统的关键组件

1．7光通信网络的演进

1．8光纤通信标准

1．9仿真与建模工具

1．9．1仿真工具的特征

1．9．2图形编程语言

1．9．3学生使用的程序举例

1．10总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第2章光纤：结构、导波原理和

制造

2．1光的性质

2．1．1线偏振

2．1．2椭圆偏振和圆偏振

2．1．3光的量子特性

2．2基本的光学定律和定义

2．2．1折射率

2．2．2反射和折射

2．2．3光的偏振分量

2．2．4偏振敏感材料

2．3光纤模式和结构

2．3．1光纤分类

2．3．2光纤结构的变化

2．3．3光射线和模式

2．3．4阶跃折射率光纤结构

2．3．5射线光学描述

2．3．6介质平板波导中的波动

描述

2．4圆波导的模式理论

2．4．1模式概述

2．4．2关键的模式概念的归纳

2．4．3麦克斯韦方程组*

2．4．4波导方程式*

2．4．5阶跃折射率光纤中的波动

方程*

2．4．6模式方程*

2．4．7阶跃折射率光纤中的

模式*

2．4．8线偏振模*

2．4．9阶跃折射率光纤中的

光功率流*

2．5单模光纤

2．5．1结构

2．5．2模场直径

2．5．3单模光纤中的传播模

2．5．4有效折射率

2．6梯度折射率光纤的结构

2．6．1纤芯折射率结构

2．6．2梯度折射率光纤的数值

孔径

2．6．3梯度折射率光纤的截止

条件

2．7光纤材料

2．7．1玻璃光纤

2．7．2有源玻璃光纤

2．7．3塑料光纤

2．8光子晶体光纤(PCF)

2．8．1折射率导引PCF

2．8．2光子带隙PCF

2．9光纤制造

2．9．1外部汽相氧化法

2．9．2汽相轴向沉积法

2．9．3改进的化学汽相沉积法

2．9．4等离子体激活化学汽相

沉积法

2．9．5光子晶体光纤制造

2．10光缆

2．10．1光缆结构

2．10．2室内光缆

2．10．3室外光缆

2．11光缆铺设方法

2．11．1直埋式铺设

2．11．2光缆牵入管道

2．11．3光缆气吹铺设

2．11．4架空铺设

2．11．5海底铺设

2．11．6行业铺设标准

2．12总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第3章衰减和色散

3．1衰减

3．1．1衰减单位

3．1．2吸收损耗

3．1．3散射损耗

3．1．4弯曲损耗

3．1．5纤芯和包层的损耗

3．2光纤中的信号畸变

3．2．1色散概述

3．2．2模式时延

3．2．3色散起因

3．2．4群时延

3．2．5材料色散

3．2．6波导色散

3．2．7单模光纤中的色散

3．2．8偏振模色散

3．3单模光纤性能

3．3．1折射率分布

3．3．2截止波长

3．3．3色散计算

3．3．4模场直径

3．3．5弯曲损耗

3．4国际标准

3．4．1G．651．1建议

3．4．2G．652建议

3．4．3G．653建议

3．4．4G．654建议

3．4．5G．655建议

3．4．6G．656建议

3．4．7G．657建议

3．5特种光纤

3．6多芯光纤

3．7总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第4章光源

4．1半导体物理学基础

4．1．1能带

4．1．2本征材料和非本征材料

4．1．3pn结

4．1．4直接带隙和间接带隙

4．1．5半导体器件的制造

4．2发光二极管（LED）

4．2．1LED的结构

4．2．2光源材料

4．2．3量子效率和LED的功率

4．2．4LED的调制

4．3半导体激光器

4．3．1半导体激光器的模式和

阈值条件

4．3．2半导体激光器的速率

方程

4．3．3外量子效率

4．3．4谐振频率

4．3．5半导体激光器结构和辐射

场型分布

4．3．6单模激光器

4．3．7半导体激光器的调制

4．3．8激光器线宽

4．3．9外调制

4．3．10温度特性

4．4光源的线性特性

4．5发射机封装

4．6总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第5章光功率发射和耦合

5．1光源至光纤的功率发射

5．1．1光源的输出分布

5．1．2功率耦合计算

5．1．3发射功率与波长的关系

5．1．4稳态数值孔径

5．2改善耦合的透镜结构

5．2．1非成像微球

5．2．2半导体激光器与光纤的

耦合

5．3光纤与光纤的连接

5．3．1机械对准误差

5．3．2光纤相关损耗

5．3．3光纤端面制备

5．4LED与单模光纤的耦合

5．5光纤接头

5．5．1连接方法

5．5．2单模光纤的连接

5．6光纤连接器

5．6．1连接器的类型

5．6．2单模光纤连接器

5．6．3连接器回波衰减

5．7总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第6章光检测器

6．1光电二极管的物理原理

6．1．1pin光电二极管

6．1．2雪崩光电二极管

6．2光检测器噪声

6．2．1噪声源

6．2．2信噪比

6．2．3噪声等效功率

6．3检测器响应时间

6．3．1耗尽层光电流

6．3．2响应时间

6．3．3双异质结光电二极管

6．4雪崩倍增噪声

6．5InGaAsAPD结构

6．6温度对雪崩增益的影响

6．7光检测器比较

6．8总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第7章光接收机

7．1接收机工作的基本原理

7．1．1数字信号传输

7．1．2误码源

7．1．3前置放大器

7．2数字接收机性能

7．2．1误码率

7．2．2接收机灵敏度

7．2．3量子极限

7．3眼图

7．3．1眼图的特征

7．3．2BER和Q因子测量

7．4突发模式接收机

7．5模拟接收机

7．6总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第8章数字链路

8．1点到点链路

8．1．1传输信号格式

8．1．2系统考虑

8．1．3链路功率预算

8．1．4展宽时间预算

8．1．5短波长带

8．1．6单模光纤链路的损耗限制

距离

8．2功率代价

8．2．1色度色散代价

8．2．2偏振模色散代价

8．2．3消光比代价

8．2．4模式噪声

8．2．5模分配噪声

8．2．6啁啾

8．2．7反射噪声

8．3差错控制

8．3．1误码检测概念

8．3．2线性检错码

8．3．3多项式码

8．3．4前向纠错

8．4相干检测

8．4．1基本概念

8．4．2零差检测

8．4．3外差检测

8．4．4误码率比较

8．5高级光调制格式

8．5．1频谱效率

8．5．2相移键控和IQ调制

8．5．3差分正交相移键控

（DQPSK）

8．5．4正交幅度调制（QAM）

8．6总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第9章模拟链路

9．1模拟链路概述

9．2载噪比

9．2．1载波功率

9．2．2光检测器和前置放大器的

噪声

9．2．3相对强度噪声（RIN)

9．2．4反射对RIN的影响

9．2．5极限条件

9．3多信道传输技术

9．3．1多信道幅度调制

9．3．2多信道频率调制

9．3．3副载波复用

9．4光载射频（ROF）

9．4．1关键链路参数

9．4．2无杂散动态范围

9．5光载链路射频

9．5．1ROF网络天线基站

9．5．2多模光纤链路射频

9．6微波光子学

9．7总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第10章WDM概念和光器件

10．1WDM概述

10．1．1WDM的工作原理

10．1．2WDM标准

10．2无源光耦合器

10．2．12×2光纤耦合器

10．2．2散射矩阵表示法

10．2．32×2波导耦合器

10．2．4星形耦合器

10．2．5马赫曾德尔干涉

复用器

10．3隔离器和环形器

10．3．1光隔离器

10．3．2光环形器

10．4光纤光栅滤波器

10．4．1光栅基础

10．4．2光纤布拉格光栅

10．4．3FBG的应用

10．5介质薄膜滤波器

10．5．1标准具理论

10．5．2TFF的应用

10．6基于相位阵列的WDM

器件

10．7衍射光栅

10．8有源光器件

10．8．1MEMS技术

10．8．2可变光衰减器

10．8．3可调谐光滤波器

10．8．4动态增益均衡器

10．8．5光分插复用器

10．8．6偏振控制器

10．8．7色度色散补偿器

10．9可调谐光源

10．10总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第11章光放大器

11．1光放大器的基本应用和

分类

11．1．1一般应用

11．1．2放大器的类型

11．2半导体光放大器

11．2．1外部泵浦

11．2．2放大器增益

11．2．3SOA的带宽

11．3掺铒光纤放大器

11．3．1放大机理

11．3．2EDFA的结构

11．3．3EDFA的功率转换效率

及增益

11．4放大器噪声

11．5光信噪比

11．6系统应用

11．6．1功率放大器

11．6．2在线放大器

11．6．3前置放大器

11．6．4多信道放大

11．6．5在线放大器增益控制

11．7拉曼放大器

11．7．1拉曼增益

11．7．2泵浦激光器

11．8宽带光放大器

11．9光纤激光器

11．10总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第12章非线性效应

12．1非线性效应概述

12．2有效长度与有效面积

12．3受激拉曼散射

12．4受激布里渊散射

12．5自相位调制

12．6交叉相位调制

12．7四波混频

12．8减小四波混频

12．9波长变换

12．9．1光门波长转换器

12．9．2波混频波长转换器

12．10孤子

12．10．1孤子脉冲

12．10．2孤子参数

12．10．3孤子宽度和间隔

12．11总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第13章光网络

13．1网络概念

13．1．1网络术语

13．1．2网络分类

13．1．3网络层次

13．1．4光层

13．2网络拓扑

13．2．1无源线形总线的性能

13．2．2星形结构的性能

13．3SONET/SDH

13．3．1传输格式和速率

13．3．2光接口

13．3．3SONET/SDH环

13．3．4SONET/SDH网络

13．4高速光链路

13．4．110Gbps光链路

13．4．240Gbps光链路

13．4．3100Gbps链路

13．4．4400Gbps以上速率

链路

13．5光分插复用器

13．5．1OADM的结构

13．5．2可重构OADM

13．6光交换

13．6．1光交叉连接

13．6．2波长变换

13．6．3波长路由

13．6．4光分组交换

13．6．5光突发交换

13．7WDM网络实例

13．7．1宽带长途WDM网络

13．7．2窄带城域WDM网络

13．8无源光网络

13．8．1基本的PON架构

13．8．2有源PON模块

13．8．3业务流量

13．8．4GPON特性

13．8．5WDMPON架构

13．9DWDM直接承载IP

13．10光以太网

13．10．1基本的光以太网方案

13．10．2EPON/GE�PON架构

13．10．3城域光以太网

13．11降低传输损伤

13．11．1色度色散补偿光纤

13．11．2布拉格光栅色散

补偿器

13．11．3偏振模色散补偿

13．11．4光放大器增益瞬变

13．12总结

习题

习题解答（选）

参考文献

第14章性能测量与监控

14．1测量标准

14．2基本测试设备

14．2．1测试用光源

14．2．2光谱分析仪

14．2．3多功能光测试仪

14．2．4光衰减器

14．2．5光传送网（OTN）

测试仪

14．2．6可视故障指示仪

14．3光功率测量

14．3．1光功率的定义

14．3．2光功率计

14．4光纤特性参数

14．4．1折射近场法

14．4．2传输近场法

14．4．3损耗测量

14．4．4色散测量

14．5眼图

14．5．1模板测试

14．5．2压力眼图

14．5．3眼图轮廓

14．6光时域反射仪（OTDR）

14．6．1OTDR轨迹

14．6．2损耗测量

14．6．3OTDR盲区

14．6．4光纤故障定位

14．6．5光回波衰减

14．7光性能监测

14．7．1管理构架和功能

14．7．2光层管理

14．7．3OPM功能

14．7．4网络维护

14．7．5故障管理

14．7．6OSNR监视

14．8光纤系统性能测量

14．8．1误码率测试

14．8．2光信噪比评估

14．8．3Q因子评估

14．8．4光调制幅度（OMA）

测量

14．8．5定时抖动测量

14．9总结

习题

习题解答（选）

参考文献

附录A国际单位制

附录B常用数学关系式

附录C贝塞尔函数

附录D分贝

附录E缩写

附录F拉丁文符号

附录G希腊文符号