认识光通信电子书

前言

目录

哥白尼———近代自然科学的奠基人

第1章 光通信史

1.1 光传递信息自古有之

1.1.1 周幽王烽火戏诸侯——古老光通信

1.1.2 信号灯通信——自古到今使用

1.1.3 航标灯通信——船舶导航指引

1.2 近代光通信

1.2.1 贝尔发明光电话

1.2.2 梅曼发明激光器

1.2.3 最早的光通信系统

1.2.4 光纤通信鼻祖——高锟

1.2.5 光通信发展简史

1.3 光纤通信系统

1.3.1 光纤是怎样传光的

1.3.2 光纤通信系统组成

1.3.3 光纤通信优点

第2章 光通信基础

2.1 光是电磁波

2.1.1 光的波动性——麦克斯韦预言存在电磁波

2.1.2 赫兹实验验证电磁波存在

2.1.3 光的粒子性——爱因斯坦的贡献

2.2 均匀介质中的光波

2.2.1 电场的波动方程

2.2.2 光程差/相位差——光干涉及器件基础

2.3 光的传播特性

2.3.1 光的反射、折射和全反射——光纤波导传光基础

2.3.2 光的衍射——单频激光器基础

2.3.3 光的偏振——菲涅尔的贡献

2.3.4 光的双折射——光调制器基础

第3章 光纤通信传输介质——光导纤维

3.1 光纤结构和类型

3.1.1 玻璃丝传光发展史——全反射应用

3.1.2 多模光纤/单模光纤——由传输模式数量决定

3.1.3 阶跃光纤/渐变光纤——折射率在纤芯分布不同色散也不同

3.1.4 相速度/群速度——相速度是波前传输速度，群速度是相速度的分量

3.1.5 光纤制造

3.2 光纤传输原理

3.2.1 全反射和相干——光纤传输条件

3.2.2 一维光纤波导——直线光线

3.2.3 二维光纤波导——螺旋光线

3.2.4 光纤模式——麦克斯韦波动方程求解结果

3.3 光纤传输特性

3.3.1 光纤损耗——越纯净损耗越小

3.3.2 光纤色散——模式不同、路径不同、到达终点时间不同导致脉冲展宽

3.3.3 光纤传输最大比特率——由光纤色散决定

3.4 光纤种类

3.4.1 G.652标准单模（SSM）光纤

3.4.2 G.653色散位移光纤（DSF）光纤

3.4.3 G.654截止波长位移光纤（CSF）

3.4.4 G.655非零色散位移光纤（NZ-DSF）

3.4.5 G.656宽带非零色散位移光纤（WNZ-DSF）

3.4.6 G.657接入网用光纤

3.4.7 正负色散光纤和色散补偿光纤

3.5 光缆结构和类型

3.5.1 缆芯

3.5.2 护套

3.5.3 铠装

第4章 光干涉无源器件

4.1 马赫-曾德尔（M-Z）器件

4.1.1 电光效应——晶体折射率n与施加外电场E有关

4.1.2 M-Z电光调制器——基于电光效应和光双折射效应

4.1.3 马赫-曾德尔滤波器——两个单色光经不同光程传输后的干涉结果

4.1.4 光纤水听器系统——马赫-曾德尔干涉仪的应用

4.1.5 M-Z波分复用/解复用器——光程差应用

4.1.6 M-Z电光开关——其输出由波导光相位差决定

4.2 阵列波导光栅（AWG）器件

4.2.1 AWG星形耦合器

4.2.2 AWG工作原理——多波长光经不同路径在终点干涉

4.2.3 AWG复用/解复用器

4.3 布拉格（Bragg）光栅器件

4.3.1 布拉格光栅——一列平行半反射镜

4.3.2 布拉格光纤光栅滤波器——折射率周期性变化的光栅，反射布拉格共振波长附近的光

4.4 介质薄膜干涉器件

4.4.1 电介质镜——折射率交替变化的数层电介质材料

4.4.2 介质薄膜光滤波解复用器——利用光干涉选择波长

第5章 法拉第磁光效应器件

5.1 法拉第磁光效应

5.1.1 法拉第磁光效应——电场和磁场结伴而行

5.1.2 法拉第的伟大贡献

5.2 法拉第磁光效应器件

5.2.1 互易器件和非互易器件

5.2.2 光隔离器——单方向传输光器件

5.2.3 光环形器——3个端口的光隔离器

第6章 光源及光调制

6.1 激光器源于光的干涉

6.1.1 干涉和谐振普遍存在

6.1.2 光的干涉——法布里-珀罗（F-P）光学谐振器

6.1.3 发光机理——电子从高能带跃迁到低能带发出光子

6.2 半导体激光器

6.2.1 LD激光发射条件——粒子数反转、光学谐振腔

6.2.2 激光器起振的阈值条件——腔体阈值增益等于总损耗

6.2.3 激光器起振的相位条件——整数倍半波长等于腔长

6.2.4 分布反馈（DFB）激光器——增加频率选择电介质镜衍射光栅

6.2.5 波长可调激光器——多腔耦合，多方控制

6.3 半导体激光器（LD）的特性

6.3.1 LD的波长特性

6.3.2 LD模式特性——纵模决定频谱特性，横模决定空间特性

6.4 光调制

6.4.1 光调制——让光携带声音和数字信号

6.4.2 先进光调制技术——QPSK调制和QAM调制

第7章 光探测及光接收

7.1 光探测器

7.1.1 光探测机理——吸收光子产生电子

7.1.2 响应度、量子效率和响应带宽

7.1.3 PIN光电二极管

7.1.4 雪崩光电二极管——雪崩倍增效应使灵敏度提高

7.1.5 波导光探测器——高速光纤通信系统接收器件

7.2 数字光接收机

7.2.1 光/电转换和前置放大——决定放大器的性能

7.2.2 线性放大和数据恢复——眼图分析系统性能

7.2.3 接收机信噪比（SNR）

7.3 接收机误码率、Q参数和SNR

7.3.1 接收机比特误码率（BER）

7.3.2 比特误码率用Q参数表示

7.3.3 Q参数和信噪比（SNR）的关系——Q的平方等于SNR

7.3.4 Q参数和光信噪比（OSNR）的关系——Q的平方等于OSNR

第8章 光放大器

8.1 掺铒光纤放大器（EDFA）

8.1.1 掺铒光纤结构和EDFA的构成

8.1.2 EDFA工作原理——泵浦光能量转移到信号光

8.1.3 EDFA的特性

8.1.4 EDFA噪声

8.1.5 掺铒光纤放大器的优点

8.1.6 EDFA的应用

8.2 光纤拉曼放大器

8.2.1 光纤拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光频等于信号光频

8.2.2 光纤拉曼增益和带宽——信号光与泵浦光频差不同增益也不同

8.2.3 多波长泵浦拉曼放大器——获得平坦光增益带宽

8.2.4 光纤拉曼放大器等效开关增益和有效噪声指数

8.2.5 光纤拉曼放大技术的应用

8.2.6 混合使用拉曼放大和EDFA——获得平坦的总增益频谱曲线

8.3 半导体光放大器（SOA）

8.3.1 半导体光放大器工作原理

8.3.2 如何使半导体激光器变为半导体光放大器

第9章 光纤通信系统

9.1 光纤通信系统基础

9.1.1 脉冲编码——将模拟信号变为数字信号

9.1.2 信道编码——减少误码，方便时钟提取

9.1.3 信道复用——扩大信道容量，充分利用光纤带宽

9.2 频分复用光纤通信系统

9.2.1 频分复用光纤传输系统

9.2.2 光纤/电缆混合网络——典型的FDM光纤通信系统

9.2.3 微波副载波（SCM）光纤传输系统——射频信号光纤传输（RoF）

9.2.4 正交频分复用（DFDM）光纤传输系统——4G、5G移动通信基础

9.3 时分复用光纤通信系统——SDH光纤通信系统

9.3.1 时分复用工作原理

9.3.2 SDH帧结构和传输速率

9.3.3 复用映射结构

9.4 光复用光纤通信系统

9.4.1 波分复用（WDM）光纤通信系统

9.4.2 偏振复用（PM）光纤通信系统

9.5 相干光纤通信系统

9.5.1 相干检测原理——信号光与本振光混频产生中频信号

9.5.2 外差异步解调——不需恢复中频可简化接收机设计

9.5.3 相位分集接收——产生与信号光和本振光相位差无关的输出信号

9.5.4 偏振分集接收——输出信号与偏振无关

第10章 高速光纤通信

10.1 前向纠错——减少误码的关键技术

10.1.1 前向纠错概述——提高色散限制系统性能的最好办法

10.1.2 前向纠错实现方法——并行处理级联内外编码

10.2 系统色散补偿和管理

10.2.1 系统色散补偿原理——设法消去色散使光信号展宽的相位系数

10.2.2 色散补偿方法——负色散光纤补偿、电子滤波均衡DSP等

10.2.3 系统色散管理——正负色散光纤交替铺设

10.3 数字信号处理（DSP）

10.3.1 DSP在高比特率光纤通信系统中的作用

10.3.2 DSP基础——电子滤波均衡色散补偿

10.3.3 数字信号处理（DSP）技术的实现

10.3.4 100Gbit/s系统数字信号处理器

10.4 增益均衡

10.4.1 增益均衡的必要性——满足光纤通信系统所有信道对BER的要求

10.4.2 增益均衡实现方法——预增强和插入增益平坦滤波器

10.4.3 无源均衡器——光滤波器均衡

10.4.4 有源均衡器——有源滤波

10.5 奈奎斯特脉冲整形

10.5.1 奈奎斯特脉冲整形概念——使信号频谱局限在最小频谱带宽内

10.5.2 奈奎斯特发送机/接收机及其系统

10.6 100Gbit/s超长距离DWDM系统

10.6.1 100Gbit/s超长距离DWDM系统关键技术

10.6.2 100Gbit/s超长距离DWDM系统光收发模块

10.7 海底光缆通信

10.7.1 海底光缆通信系统在世界通信网络中的地位和作用

10.7.2 海底光缆通信系统组成和分类

10.7.3 海底光缆通信系统发展历程

10.7.4 连接中国的海底光缆通信系统

10.7.5 海底光缆系统供电

10.7.6 无中继海底光缆传输系统

10.8 光纤传输量子通信

10.8.1 量子通信概述

10.8.2 量子通信系统

第11章 无源光网络接入

11.1 接入网在网络建设中的作用及发展趋势

11.1.1 接入网在网络建设中的作用

11.1.2 光接入网技术演进——向宽带光纤接入过度

11.1.3 三网融合——接入网的发展趋势

11.2 PON接入网结构

11.2.1 光线路终端（OLT）

11.2.2 光网络单元（ONU）

11.2.3 光分配网络（ODN）——将OLT光信号广播分配到多个ONU

11.3 无源光网络技术

11.3.1 下行复用技术——时分复用或WDM

11.3.2 上行接入技术——TDMA突发模式接入

11.4 PON接入系统

11.4.1 EPON系统

11.4.2 GPON系统

11.4.3 WDM-PON系统

11.4.4 WDM/TDM混合PON

第12章 无线光通信

12.1 无线光通信系统

12.1.1 光学天线

12.1.2 光发射机

12.1.3 光接收机

12.1.4 捕获、瞄准和跟踪

12.1.5 空间分集系统

12.1.6 信道

12.2 自由空间光通信（FSO）

12.2.1 大气光通信——传输介质为大气

12.2.2 大气湍流决定的BER、SNR和Q参数

12.2.3 星地间光通信

12.2.4 卫星间光通信

12.3 蓝绿光通信——传输介质为海水

12.3.1 概述

12.3.2 激光对潜通信种类

12.3.3 蓝绿光通信系统

12.4 可见光通信——传输介质为空气

12.4.1 白光LED发光原理

12.4.2 可见光通信系统

12.4.3 可见光通信上行链路

12.4.4 可见光通信应用

12.5 自由空间传输量子通信

附录

附录A 名词术语索引

附录B 科学名人及其贡献

参考文献