本书内容涉及光纤通信领域的多个方面,具体包括传输光纤、半导体光源和光检测器、无源光器件、光放大器、光纤通信系统的组成部件及系统设计、SDH和WDM光网络的基本组成原理以及光纤通信常用测试仪表的基本原理及测试方法等。
本书*大的特点是内容的选取兼顾了已被广泛使用的*具代表性的光纤通信技术和现代光纤通信的*新进展,同时所选内容以基本概念和原理为主,具有相对的稳定性,是进一步深入学习和掌握光纤通信新技术的基础。
本书是光纤通信的一本基础性教材,也是一本普及性读物。它可作为高等院校电子信息工程、通信工程、广播电视等相关专业的本科教材和有关光纤通信的自考、函授教材,也可作为光纤通信的教学训练和技术培训教材以及广大科技人员的自学用书。

光纤俗称玻璃纤维,是由高纯度的玻璃棒经拉丝工艺制成的,它以其优良的传输特性已经成为信息社会*主要的信息传输手段。光纤到小区、光纤到办公桌、光纤布线、光纤网络等应用已遍布全球,这表明光纤通信已成为现代通信技术的主要支柱之一。越来越多的院校师生和科技人员由于学习和工作的需要或是自己的兴趣,需要了解和掌握光纤通信技术及其应用。为了使读者学习并掌握该技术,我们在多年教学和科研工作的基础上编写了这本书。
本书是光纤通信的一本基础性教材,也是一本普及性读物。它**介绍光纤通信的基本原理,内容的选取兼顾了已被广泛使用的*具代表性的光纤通信技术和现代光纤通信的*新进展,同时所选内容具有相对的稳定性,是进一步深入学习和掌握光纤通信新技术的基础。其内容涉及光纤通信的理想传输介质——光纤、采用的理想半导体光源、光纤通信系统的组成部件及系统设计、SDH和WDM以及光放大器的基本原理、光纤通信常用测试仪表的基本原理及测试等。
本书的内容共分9章。第1章:概述,介绍了光通信的概念、光信号的频谱、光纤通信的优点及光波技术基础。第2章:光纤,介绍了光纤与光缆的结构与简单的工艺,光纤传输特性, 光纤中的光学现象。第3章:光源与光检测器,介绍了半导体激光器与光检测器的工作原理。第4章:无源光器件,介绍了构成光纤通信系统的无源光器件,如光纤连接器、波分复用器、光开关、光滤波器等。第5章:光放大器,介绍了光放大器的基本工作原理。第6章:光发送机与光接收机,介绍了光发送机(调制)与光接收机(解调)的工作原理。第7章:光纤通信系统及设计,介绍了两种典型系统——IM-DD与WDM+EDFA的设计考虑及设计举例。

第8章:SDH与WDM光网络,介绍了SDH与WDM的组网原理、网络保护及网络管理等。第9章:光纤通信常用仪表及测试,介绍了常用光纤通信仪表,如光功率计、光衰减器、波长测试仪、OTDR、光谱分析仪等的工作原理及测试。
实验课程和相应的实验设施可以大大增强读者对光纤通信技术的理解。为了该课程的教学,作者经过多年潜心研究,研制了“光纤通信教学实验系统”并已经在许多院校的光纤通信教学中使用,收到了良好的教学效果。有需要者可与作者联系。
本书可作为电子信息工程、通信工程、广播电视等相关专业的本科教材和有关光纤通信的自考、函授教材,也可作为光纤通信的教学训练和技术培训教材以及广大科技人员的参考用书。
本书由张宝富、崔敏和王海潼合作编写。张宝富和王海潼编写了第1~6章,崔敏编写了第7~9章。由于光纤通信原理是一门理论性很强的课,因此作者在编写时力求理论叙述通俗易懂,概念定义清晰,尽量避免繁琐的公式推导,注重结论的物理含义、原理与实际应用的结合。
因作者水平有限,书中难免存在不足之处,欢迎读者批评指正。

第1章 概述 1
1.1 光通信的基本概念 1
1.1.1 光波的电磁频谱 1
1.1.2 激光器产生的理想光载波 2
1.1.3 大气光通信 3
1.1.4 理想的光波传输介质——光纤 3
1.2 光纤通信的优点 4
1.3 光纤通信的系统组成 6
1.4 光纤通信的回顾与展望 7
1.4.1 长波长激光器 8
1.4.2 单模光纤 8
1.4.3 SDH传输体制 8
1.4.4 光放大器 10
1.4.5 WDM复用技术 10
1.4.6 全光网络 12
1.5 光波技术基础 13
1.5.1 光的波粒二象性 13
1.5.2 光与物质的相互作用 15
1.5.3 电介质的极化 16
1.5.4 光波的传播特性 17
习题一 19
第2章 光纤 20
2.1 光纤与光缆 20
2.1.1 光纤的结构 20
2.1.2 光纤的主要成分 21
2.1.3 光纤的制造工艺简介 21
2.1.4 光缆的技术要求 22
2.1.5 光缆的结构 23
2.1.6 常用光缆的典型结构 23
2.2 光纤的折射率分布 25
2.3 光在光纤中的几何传输 26
2.3.1 反射和折射 26
2.3.2 全反射定律 26
2.4 光纤的数值孔径NA 27
2.5 光的波动性 28
2.6 光纤介质的特性 29
2.7 光纤模式 30
2.7.1 模的概念 30
2.7.2 多模光纤中的模式数目 31
2.7.3 单模光纤的传播模 32
2.7.4 偏振模 32
2.8 光纤的模式色散 32
2.8.1 模间时延差 32
2.8.2 模间色散的减少 33
2.8.3 多模光纤的*大比特率 33
2.9 单模光纤的波长色散或色度色散 34
2.9.1 相速 34
2.9.2 群速 34
2.9.3 材料色散 35
2.9.4 波导色散 35
2.9.5 色散补偿 35
2.10 光纤的损耗 36
2.10.1 损耗系数 36
2.10.2 光纤可用频谱 36
2.11 单模光纤 37
2.11.1 模场直径 37
2.11.2 单模光纤的分类及折射率剖面 38
2.12 光纤的非线性效应 40
2.12.1 自相位调制SPM 41
2.12.2 四波混频FWM 41
2.12.3 受激布里渊散射SBS 41
2.12.4 受激拉曼散射SRS 42
2.13 光孤子的定性描述 42
习题二 42
第3章 光源与光检测器 44
3.1 半导体LD的工作原理 45
3.1.1 光放大 45
3.1.2 F-P腔半导体激光器 48
3.2 输出光功率及光源与光纤的耦合 49
3.2.1 阈值特性 49
3.2.2 注入电流(I)与光功率(P)响应特性 49
3.2.3 光源与光纤的耦合 50
3.3 LD的输出光谱 52
3.3.1 多纵模LD 52
3.3.2 单纵模LD 53
3.4 LD的调制响应 53
3.5 LD的温度特性与自动温度控制(ATC) 55
3.6 LD的输出光功率稳定性与自动功率控制(APC) 56
3.7 DFB和DBR激光器 58
3.8 调谐激光器 59
3.8.1 外腔调谐激光器 60
3.8.2 双电极半导体激光器 60
3.9 其他类型的激光器 60
3.9.1 垂直腔面发光激光器(VCSELs) 60
3.9.2 锁模激光器 61
3.9.3 量子阱(QW)激光器 62
3.9.4 多波长激光器阵列 63
3.10 激光器组件 63
3.11 半导体LED 64
3.11.1 LED的结构 64
3.11.2 LED的特性 66
3.12 光检测器 67
3.12.1 波长响应 68
3.12.2 光电转换效率与响应度 68
3.12.3 响应速度 70
3.12.4 噪声 70
3.13 PIN 71
3.14 APD 72
3.14.1 APD的结构 72
3.14.2 雪崩增益 73
习题三 74
第4章 无源光器件 75
4.1 光纤连接器 75
4.1.1 光纤连接损耗 75
4.1.2 光纤连接方法 76
4.1.3 常用的几种连接器 78
4.2 光纤耦合器 79
4.3 光开关 81
4.3.1 光开关的性能参数 81
4.3.2 主要的几种光开关 82
4.4 光纤光栅 84
4.4.1 光纤光栅的结构 84
4.4.2 布拉格光纤光栅BFG 85
4.4.3 长周期光纤光栅LFG 85
4.5 光滤波器 85
4.5.1 F-P腔型滤波器 85
4.5.2 M-Z干涉滤波器 87
4.5.3 阵列波导光栅(AWG) 88
4.5.4 声光可调滤波器(AOTF) 89
4.5.5 光纤光栅滤波器 91
4.6 WDM合波/分波器 92
4.6.1 多层介质薄膜MDTFF 92
4.6.2 熔锥型 93
4.6.3 光纤光栅型 93
4.7 光隔离器与光环形器 94
4.8 光锁相环与非线性光环镜NLOM 95
习题四 96
第5章 光放大器 97
5.1 引言 97
5.2 掺铒光纤放大器EDFA 98
5.2.1 EDFA的放大原理 98
5.2.2 EDFA的组成结构 99
5.2.3 EDFA的增益与带宽 101
5.2.4 EDFA的噪声类型 101
5.3 受激拉曼光纤放大器SRA 102
5.3.1 SRA的放大原理 102
5.3.2 SRA的性能与应用 104
5.4 受激布里渊光纤放大器SBA 104
5.4.1 SBA的放大原理 104
5.4.2 SBA的性能与应用 105
5.5 其他光纤放大器 105
5.6 半导体光放大器SOA 106
5.6.1 SOA的放大原理 107
5.6.2 SOA的性能与应用 108
5.7 光放大器的应用 108
5.8 光纤激光器 109
5.8.1 掺铒光纤激光器 110
5.8.2 光纤光栅激光器 110
5.8.3 光纤受激拉曼和受激布里渊激光器 111
5.9 光波长变换器 111
5.9.1 半导体光放大器(SOA)中的交叉增益调制(XGM)技术 112
5.9.2 半导体光放大器中的交叉相位调制(XPM)技术 112
5.9.3 半导体光放大器中的四波混频(FWM)技术 113
习题五 114
第6章 光发送机与光接收机 115
6.1 调制信号的格式 115
6.1.1 单极性与双极性 115
6.1.2 归零(RZ)与不归零(NRZ) 116
6.1.3 扰码 117
6.1.4 线路码(4B/5B、8B/10B) 117
6.2 直接调制IM光发送机 117
6.2.1 模拟调制 118
6.2.2 数字调制 118
6.3 外调制 119
6.3.1 电折射调制器 119
6.3.2 M-Z型调制器 119
6.3.3 声光布喇格调制器 120
6.3.4 电吸收MQW调制器 121
6.3.5 ASK/PSK/FSK方式 121
6.4 光接收机 122
6.4.1 理想的数字光接收机 122
6.4.2 实际的光接收机 122
6.4.3 前置放大器噪声 124
6.4.4 APD噪声 124
6.4.5 光放大器噪声 124
6.4.6 误码率 125
6.5 相干接收 129
习题六 133
第7章 光纤通信系统及设计 134
7.1 模拟光纤传输系统概述 134
7.1.1 系统构成 134
7.1.2 模拟调制技术 135
7.1.3 主要的噪声和信噪比 135
7.2 典型的模拟光纤通信系统 136
7.2.1 基带直接强度调制 136
7.2.2 多信道传输 137
7.2.3 VSB-AM/FM调制传输 138
7.2.4 微波SCM多路传输 140
7.3 数字光纤通信系统 141
7.3.1 系统构成 141
7.3.2 PDH与SDH传输体制 143
7.3.3 误码特性和抖动特性 145
7.4 IM-DD数字光纤通信系统设计 149
7.4.1 总体设计考虑 149
7.4.2 设计方法 151
7.5 WDM+EDFA数字光纤链路设计 156
7.5.1 总体设计考虑 156
7.5.2 波长分配与通道间隔 159
7.5.3 WDM系统设计与性能 160
习题七 164
第8章 SDH与WDM光网络 166
8.1 SDH光同步传送网 166
8.1.1 SDH的标准光接口 166
8.1.2 SDH的速率体系 171
8.1.3 SDH的帧结构 172
8.1.4 SDH的复用结构与原理 174
8.1.5 SDH设备 177
8.1.6 SDH的传送网结构与自愈 186
8.1.7 SDH的网管功能 199
8.2 WDM光网络 204
8.2.1 光传送网的分层结构 204
8.2.2 WDM广播选择网 204
8.2.3 WDM波长选路网WRN 207
8.2.4 WRN的选路算法 209
8.2.5 WDM的网管 211
8.3 其他类型的光网络 213
8.3.1 光纤以太网 213
8.3.2 无源光网络PON 217
8.3.3 HFC混合光纤同轴网 220
8.3.4 光因特网(IP over WDM) 222
习题八 225
第9章 光纤通信常用仪表及测试 227
9.1 引言 227
9.2 光纤测试以及光时域反射仪OTDR 228
9.2.1 光纤测试参数 228
9.2.2 光纤损耗和色散测试 228
9.2.3 光时域反射仪OTDR 234
9.3 光功率计与光端机的测试 235
9.3.1 光功率计 235
9.3.2 光端机的测试 236
9.4 光纤通信系统测试 243
9.4.1 误码性能及测试 243
9.4.2 抖动性能及测试 244
9.5 误码测试仪与其他常用仪表 248
9.6 波长计、光谱分析仪OSA及应用 249
9.6.1 波长计 249
9.6.2 光谱分析仪(OSA)及应用 250
9.7 光衰减器及应用 254
9.8 网络分析仪及应用 255
习题九 256
参考文献 258