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第一篇 光纤技术基础3

第1章 引论3

1.1 电通信技术的发展3

1.2 光通信的必要性及其技术基础5

1.2.1 光通信的必要性与空间光通信5

1.2.2 光纤技术的发展6

1.2.3 模间色散与单模光纤技术6

1.2.4 群速色散与动态单纵模激光器7

1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来8

1.3.1 早期的850nm光纤通信系统8

1.3.2 1.31μm光纤通信系统8

1.3.3 1.55μm光纤通信系统9

1.3.4 光纤通信网络体系结构9

1.3.5 密集波分复用技术9

1.3.6 外调制技术与光时分复用10

1.3.7 网络全光化10

1.3.8 光纤接入网11

1.3.9 光纤通信技术的未来发展方向11

习题11

第2章 电磁理论基础13

2.1 电磁现象的普遍规律13

2.1.1 Maxwell方程组13

2.1.2 电磁场与物质之间相互作用的宏观描述14

2.1.3 电磁场边值关系15

2.1.4 Maxwell方程组的物理含义16

2.1.5 电磁场量纲系统17

2.2 电磁场波动方程与电磁波17

2.2.1 Maxwell方程组的频域形式17

2.2.2 频域波动方程18

2.2.3 自由空间中的均匀平面波19

2.2.4 波的相速度与群速度20

2.2.5 介质的损耗与增益21

2.3 电磁场的能量与能流22

2.3.1 电磁场能量守恒定律22

2.3.2 复数表示23

2.4 光的反射与折射24

2.4.1 Snell定律24

2.4.2 Fresnel公式25

2.4.3 重要结论26

习题27

第3 章一维平面光波导30

3.1 一维平面光波导及其几何光学分析30

3.1.1 一维均匀平面光波导的基本结构30

3.1.2 模式及其特征方程31

3.1.3 模式分类及数量32

3.1.4 模式特征方程的具体形式33

3.1.5 波导参数与模式截止特性33

3.1.6 模式场分布35

3.1.7 一个例子的数值计算结果36

3.2 一维平面光波导的波动理论分析38

3.2.1 光波导本征值问题38

3.2.2 场方程及其束缚态解的形式39

3.2.3 场分解与模式分类39

3.2.4 TE模的场分布与特征方程40

3.2.5 TM模的场分布与特征方程41

3.3 若干重要概念及其内涵42

3.3.1 光线、光波与光子42

3.3.2 波导内电磁场的存在形态和功率流43

3.3.3 模式的相速度与群速度43

3.3.4 模间色散与频率色散44

3.4 数值方法45

3.4.1 任意一维波导结构的场方程45

3.4.2 有限差分方法46

3.4.3 传输矩阵方法47

习题48

第4章 光纤模式理论51

4.1 光纤基本结构与分类51

4.1.1 光纤基本结构51

4.1.2 折射率分布的主要类型52

4.1.3 光纤的数值孔径与归一化频率53

4.1.4 多模光纤与单模光纤53

4.2 纵向均匀光波导中场的纵横关系54

4.2.1 纵向场与横向场54

4.2.2 纵向均匀光波导内场的纵横关系54

4.3 阶跃光纤的严格矢量解56

4.3.1 阶跃光纤中电磁场的波动方程56

4.3.2 场的纵向分量57

4.3.3 横向场分量58

4.3.4 模式特征方程及矢量模的分类59

4.3.5 矢量模的截止特性60

4.3.6 光纤的单模传输条件62

4.3.7 矢量模的特性曲线63

4.3.8 矢量模的场分布、简并性与光功率密度分布64

4.4 阶跃型弱导光纤的标量近似理论66

4.4.1 弱导光纤与线偏振模66

4.4.2 线偏振模的特征方程67

4.4.3 线偏振模的简并性及其与矢量模的关系68

4.4.4 线偏振模的截止特性69

4.4.5 线偏振模的特性曲线与功率限制因子70

4.5 无界抛物型折射率分布弱导光纤72

4.5.1 折射率分布72

4.5.2 无界抛物型光纤中的模式场分布72

4.5.3 基模场分布与模场直径73

4.6 光波导中模式的普遍性质74

4.6.1 传导模、辐射模与泄漏模74

4.6.2 光波导本征值问题74

4.6.3 模式的完备性与光场展开75

4.6.4 模式的正交性与归一化76

4.6.5 模式正交性的证明77

4.6.6 β2的稳定性78

4.6.7 光波导不规则性与模耦合78

4.7 近似方法80

4.7.1 变分法80

4.7.2 等效阶跃折射率近似80

4.8 单模光纤82

4.8.1 概述82

4.8.2 阶跃型单模光纤82

4.8.3 单模光纤的模场直径83

4.8.4 单模光纤中的随机双折射86

4.8.5 偏振保持光纤87

习题88

第5章 光纤色散94

5.1 光纤色散的来源94

5.1.1 概述94

5.1.2 多模光纤中的模式色散94

5.1.3 Sellmeyer定律和材料色散96

5.1.4 波导效应所引起的色散97

5.2 单模光纤的色散98

5.2.1 基本关系式98

5.2.2 群时延99

5.2.3 阶跃型单模光纤的色散100

5.2.4 单模光纤色散的一般描述102

5.3 单模光纤中的光信号传输103

5.3.1 频域分析103

5.3.2 光信号的时域传输方程105

5.3.3 光脉冲的色散展宽105

5.3.4 光脉冲的色散啁啾效应106

5.4 偏振模色散107

5.4.1 偏振模色散的来源107

5.4.2 偏振模色散的统计描述108

习题109

第6章 光纤的非线性光学特性113

6.1 光纤中光学非线性的一般理论描述113

6.1.1 极化率张量113

6.1.2 非线性折射率114

6.1.3 光纤非线性传输方程115

6.1.4 受激非弹性散射过程117

6.1.5 非线性响应速度与超快过程117

6.1.6 光纤非线性的重要意义119

6.2 自相位调制119

6.2.1 SPM啁啾效应119

6.2.2 高斯脉冲的SPM谱展宽效应121

6.2.3 色散的影响123

6.3 交叉相位调制125

6.3.1 两不同频率光信号间的XPM耦合传输方程125

6.3.2 光纤的非线性双折射128

6.3.3 同向准连续波之间的XPM效应129

6.3.4 反向传输准连续波之间的XPM效应130

6.4 四波混频130

6.4.1 光纤中的四波混频效应130

6.4.2 FWM耦合传输方程132

6.4.3 泵浦-信号相互作用机制133

6.4.4 FWM光学相位共轭与光谱反转134

6.4.5 色散对光纤中FWM效应的影响135

6.5 受激非弹性散射136

6.5.1 光纤中的受激非弹性散射过程136

6.5.2 受激拉曼散射137

6.5.3 受激布里渊散射140

6.6 光纤中的光学孤立子142

6.6.1 光纤中光学孤立子的基本特性142

6.6.2 各种非理想因素对光孤子传输特性的影响145

6.7 数值分析方法147

6.7.1 分步傅里叶方法147

6.7.2 对称分步傅里叶方法148

6.7.3 迭代的对称分步傅里叶方法149

习题149

第7章 光纤制造技术与光缆153

7.1 光纤制造技术153

7.1.1 基本原理及技术153

7.1.2 内部气相沉积法154

7.1.3 外部气相沉积法155

7.1.4 拉丝工艺156

7.2 光缆157

7.2.1 光缆的基本技术要求157

7.2.2 光缆的基本结构157

7.2.3 光缆的主要类型158

7.3 光纤损耗160

7.3.1 概述160

7.3.2 石英材料的本征吸收损耗161

7.3.3 杂质吸收损耗162

7.3.4 瑞利散射损耗162

7.3.5 弯曲损耗163

7.3.6 改善光纤损耗特性的技术方向163

7.4 光纤的主要类型与技术规范164

7.4.1 多模光纤的主要类型与技术规范164

7.4.2 单模光纤的主要类型与技术规范165

7.5 特种光纤及其制造168

7.5.1 稀土掺杂光纤168

7.5.2 光子晶体光纤170

7.5.3 偏振保持光纤172

7.5.4 塑料光纤172

习题173

第二篇 光通信器件技术基础177

第8章 基本光纤器件177

8.1 分波／合波器件177

8.1.1 分波／合波器件基本类型及功能177

8.1.2 器件参数178

8.2 耦合波导理论180

8.2.1 耦合波导的基本结构与分析方法180

8.2.2 耦合波方程181

8.2.3 耦合波方程的标准形式及其解182

8.2.4 耦合波导结构光学特性的矩阵表示183

8.2.5 关于耦合波导的重要结论183

8.3 熔烧拉锥型光纤耦合器技术184

8.4 光纤接续技术与光纤连接器185

8.4.1 光纤熔接技术186

8.4.2 光纤活动连接器187

8.4.3 光纤连接损耗188

8.5 光隔离器、环形器和衰减器190

8.5.1 光隔离器190

8.5.2 光纤环形器192

8.5.3 光衰减器194

习题194

第9章 光学滤波器198

9.1 Fabry-Pérot滤波器198

9.1.1 Fabry-Pérot（FP）滤波器的基本结构198

9.1.2 FP滤波器的光学特性198

9.1.3 FP滤波器的性能参数199

9.2 介质膜滤波器200

9.2.1 介质膜滤波器基本组成200

9.2.2 单层介质膜的光学特性201

9.2.3 多层膜技术202

9.3 HiBi光纤Sagnac环滤波器204

9.3.1 滤波器基本结构204

9.3.2 HiBi光纤Sagnac滤波器的传输矩阵法分析204

9.4 Mach-Zender型滤波器206

9.4.1 Mach-Zender型滤波器的基本结构206

9.4.2 MZ滤波器的传输矩阵法分析207

9.5 光纤光栅208

9.5.1 光纤光栅基本结构和类型208

9.5.2 光栅区域的光场耦合方程209

9.5.3 光纤光栅的传输矩阵分析方法212

9.5.4 啁啾与切趾技术214

9.5.5 取样光栅216

习题220

第10章 光纤放大器223

10.1 光放大器的发展历程223

10.1.1 早期的探索223

10.1.2 掺铒光纤放大器技术的发展224

10.1.3 光纤拉曼放大技术的发展225

10.1.4 其他光放大技术225

10.2 辐射跃迁过程的物理基础225

10.2.1 基本相互作用过程225

10.2.2 自发辐射226

10.2.3 受激辐射226

10.2.4 受激吸收227

10.2.5 模式增益和粒子数反转条件227

10.2.6 光子态密度与黑体辐射定律228

10.2.7 Einstein关系229

10.2.8 自发辐射过程的本质230

10.2.9 能级的自然宽度与线型函数230

10.3 掺铒光纤放大器231

10.3.1 掺铒光纤放大器的基本原理231

10.3.2 EDFA的基本组成233

10.3.3 EDFA的行波速率方程理论234

10.3.4 EDFA的增益饱和特性237

10.4 EDFA的动态模型与数值化方法239

10.4.1 动态情形239

10.4.2 数值化方法239

10.5 放大器噪声241

10.5.1 EDFA的噪声特性241

10.5.2 粒子数反转因子与噪声242

10.5.3 EDFA的级联243

10.6 光纤Raman放大器245

10.6.1 受激与自发Raman散射过程245

10.6.2 FRA的基本理论模型246

10.6.3 动态情形247

10.6.4 光纤的Raman增益系数248

10.6.5 FRA的基本实施方式与开关增益249

10.6.6 多泵浦宽带Raman放大技术250

10.7 FRA的噪声特性251

10.7.1 ASE噪声251

10.7.2 FRA的多径干涉噪声252

10.7.3 FRA的四波混频噪声253

10.7.4 FRA的其他噪声来源254

10.7.5 新型Raman泵浦技术案例255

习题256

第11章 半导体光电子器件258

11.1 半导体的光电子学特性258

11.1.1 半导体的能带结构258

11.1.2 主要的半导体材料及其掺杂259

11.1.3 半导体内的光学过程260

11.1.4 半导体的增益和吸收特性262

11.1.5 PN结及其光电子学特性263

11.1.6 双异质结265

11.1.7 异质结的外延生长技术266

11.1.8 量子结构材料267

11.1.9 简化的材料增益模型269

11.1.10 自发复合与载流子寿命270

11.2 FP型双异质结构激光器271

11.2.1 FP型激光器的基本结构271

11.2.2 FP激光器的阈值特性与纵模272

11.2.3 FP激光器的零维模型274

11.2.4 FP激光器的稳态特性274

11.2.5 弛豫过程与开关延迟277

11.2.6 FP激光器的调制特性278

11.2.7 FP激光器的光谱特性279

11.3 动态单纵模激光器281

11.3.1 概述281

11.3.2 Bragg光栅281

11.3.3 DBR激光器283

11.3.4 DFB激光器285

11.3.5 VCSEL286

11.3.6 SG-DBR激光器287

11.4 发光二极管288

11.4.1 概述288

11.4.2 面发射LED289

11.4.3 边发射LED290

11.4.4 LED的峰值波长与光谱宽度290

11.4.5 LED的光-电流特性292

11.5 半导体光放大器293

11.5.1 SOA的基本结构和技术要求293

11.5.2 SOA的理论模型294

11.5.3 稳态光增益特性295

11.5.4 增益饱和296

11.5.5 SOA的噪声特性297

11.5.6 SOA的非线性特性及其应用298

11.5.7 增益钳制技术301

11.5.8 SOA光开关302

11.6 半导体光电检测技术302

11.6.1 光电导效应302

11.6.2 PN结光电二极管303

11.6.3 PIN光电二极管306

11.6.4 雪崩光电二极管308

11.7 光电检测噪声313

11.7.1 散弹噪声过程313

11.7.2 散弹噪声过程的数字特征315

11.7.3 散弹噪声过程的功率谱密度317

11.7.4 暗电流和热噪声318

11.7.5 光电检测过程的信噪比320

习题324

第三篇 光纤通信系统和网络333

第12章 光纤传输系统333

12.1 光纤传输系统的基本组成333

12.2 光发送机组件334

12.2.1 码型转换335

12.2.2 调制／驱动电路337

12.2.3 自动功率控制电路338

12.2.4 自动温度控制电路339

12.3 光接收机组件340

12.3.1 前端341

12.3.2 线性通道343

12.3.3 数据恢复345

12.4 光放大器噪声及其级联346

12.4.1 光放大器的噪声特性346

12.4.2 光放大器的级联347

12.5 色散调节技术349

12.5.1 发送端的色散调节349

12.5.2 传输段的色散调节351

12.5.3 接收端的色散调节355

12.6 光纤传输系统设计355

12.6.1 系统单元参数的选择355

12.6.2 损耗限制系统和光功率预算356

12.6.3 色散限制系统及色散预算357

12.6.4 带宽设计359

12.7 光纤传输系统性能评估359

12.7.1 系统参考模型360

12.7.2 误码性能361

12.7.3 抖动性能362

12.7.4 光接口技术要求363

习题364

第13章 光纤通信网366

13.1 通信网的拓扑结构与分类366

13.1.1 通信网的拓扑结构367

13.1.2 通信网的分类368

13.2 准同步数字体系371

13.2.1 PDH的不同系列372

13.2.2 时分复用和PCM30/32路系统372

13.2.3 PDH高次群的时分复用374

13.2.4 PDH系统376

13.3 同步数字体系376

13.3.1 SDH的速率等级和帧结构377

13.3.2 SDH的复用映射结构378

13.3.3 SDH基本网络单元设备380

13.3.4 SDH传输网382

13.4 异步传递模式384

13.4.1 ATM信元结构385

13.4.2 ATM（B-ISDN）协议参考模型386

13.4.3 ATM交换387

13.5 互联网协议388

13.5.1 TCP/IP参考模型389

13.5.2 互联网协议390

13.5.3 宽带IP网的传输技术393

13.6 光纤通信网的管理、保护与恢复394

13.6.1 光纤通信网的管理395

13.6.2 光纤通信网的保护与恢复396

习题400

第14章 全光网技术及其发展401

14.1 引言401

14.2 通信网络的发展过程402

14.2.1 电网络402

14.2.2 光电混合网络402

14.2.3 全光网络403

14.3 全光网络中的传输技术403

14.3.1 WDM全光通信网络404

14.3.2 OTDM全光通信网络405

14.3.3 OCDMA全光通信网络408

14.3.4 分组交换全光通信网络409

14.4 无源光网络413

14.4.1 GPON414

14.4.2 EPON419

14.4.3 WDM-PON422

14.5 光传送网425

14.5.1 G.709 OTN信息结构427

14.5.2 OTN的优点430

14.6 自动交换光网络433

14.6.1 ASON技术的发展433

14.6.2 ASON的分层体系结构435

14.6.3 ASON的技术优势440

14.7 全光网的网络管理440

14.7.1 概述440

14.7.2 全光网络的管理需求441

14.7.3 全光网络的管理功能和方式442

14.7.4 管理通道的实现443

14.8 全光网络的安全问题445

14.8.1 全光网络的安全特征445

14.8.2 攻击类型446

14.8.3 全光网络攻击方法446

14.8.4 全光网络的安全措施448

习题449

第四篇 光纤与光纤通信系统测量453

第15章 光纤测量技术453

15.1 光功率计453

15.2 光纤几何参数的测量454

15.2.1 光纤预制棒的测试454

15.2.2 折射近场法455

15.2.3 近场扫描法456

15.2.4 反射法457

15.2.5 光纤数值孔径的测量458

15.3 光纤衰减测量458

15.3.1 概述458

15.3.2 截断法459

15.3.3 插入损耗法460

15.3.4 背向散射法461

15.4 光纤色散的测量461

15.4.1 模间色散462

15.4.2 模间色散的时域测量462

15.4.3 模间色散的频域测量463

15.4.4 色度色散的测量463

15.5 光纤偏振特性的测量465

15.5.1 光纤拍长的测量465

15.5.2 光纤偏振模色散的测量466

15.6 光纤的机械特性和强度测试467

15.6.1 概述467

15.6.2 光纤的强度衰弱和断裂468

15.6.3 测量方法468

15.7 光时域反射计469

15.7.1 光时域反射计的功能469

15.7.2 OTDR的测试步骤469

15.7.3 OTDR测试实例及结果判读469

习题470

第16章 光纤通信系统性能的测量与监控472

16.1 光接收机灵敏度和动态范围的测量472

16.1.1 光接收机灵敏度的测量472

16.1.2 光接收机动态范围的测量473

16.2 光纤通信系统误码率和功率代价的测量474

16.2.1 误码率测量474

16.2.2 功率代价测量475

16.3 眼图及其测量477

16.4 光谱分析仪479

16.5 光纤通信系统的在线监测技术480

16.5.1 概述480

16.5.2 光纤通信质量监测系统的基本技术要求481

16.5.3 传输损耗的在线监测技术482

习题482

附录485

附录1 矢量分析和场论485

附1.1 矢量的基本运算法则485

附1.1.1 矢量的加法485

附1.1.2 矢量的点积（标量积）485

附1.1.3 矢量的叉积（矢量积）486

附1.1.4 并矢（张量积）486

附1.1.5 参量微积分487

附1.1.6 重要公式487

附1.2 矢量场和标量场487

附1.2.1 空间位矢、标量场和矢量场487

附1.2.2 Hamilton矢量算子487

附1.2.3 标量场的梯度488

附1.2.4 矢量场的散度488

附1.2.5 矢量场的旋度489

附1.2.6 Helmholtz定理489

附1.2.7 重要公式490

附1.3 三维正交曲线坐标系490

附1.3.1 线度元、面积元和体积元490

附1.3.2 梯度、散度和旋度490

附1.3.3 Laplacian算子491

附1.3.4 直角坐标系491

附1.3.5 柱坐标系491

附1.3.6 球坐标系492

附录2 Bessel函数494

附2.1 整数阶Bessel方程及其解494

附2.1.1 Bessel方程494

附2.1.2 Bessel函数和Neumann函数494

附2.1.3 第一类和第二类的Hankel函数495

附2.2 Bessel函数的性质495

附2.2.1 递推关系和微分公式495

附2.2.2 Jm（x）和Nm（x）的函数曲线495

附2.2.3 小宗量近似496

附2.2.4 大宗量近似496

附2.2.5 Bessel函数的零点公式497

附2.3 整数阶的变形Bessel方程及其解497

附2.3.1 变形Bessel方程497

附2.3.2 第一类和第二类的变形Bessel函数497

附2.4 变形Bessel函数的性质498

附2.4.1 递推关系和微分公式498

附2.4.2 Im（x）和Km（x）的函数曲线498

附2.4.3 小宗量近似498

附2.4.4 大宗量近似499

参考文献500