走信息路，读北邮书走信息路，读北邮书北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社光纤通信系统顾畹仪 李国瑞 编著光纤通信系统 目录l第1章 光纤的传输理论l第2章 光源和光调制l第3章 光接收机l第4章 光纤通信系统和通信网l第5章 光纤通信新技术光纤通信系统 第1章 光纤的传输理论l1.1 光纤的基本性质–1.1.1 光纤的结构、分类和光的传输l光纤的结构：光纤通信系统 l光纤的分类：1.石英系光纤：分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率 光纤和单模阶跃折射率光纤三种，如图1.1.32.多组份玻璃纤维3.塑料包层光纤4.全塑光纤光纤通信系统 l光的传输1.多模阶跃折射率光纤中光的传输2.多模渐变折射率光纤中光的传输光纤通信系统 –1.1.2 光纤的传输性质l损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性1.光纤的损耗1.石英光纤的固有损耗2.非固有损耗光纤通信系统 光纤通信系统 2.光纤的色散光纤通信系统 l1.2 介质平板波导–1.2.1 基本波导方程式l均匀波导中的波动方程l非均匀波导中的波动方程光纤通信系统 l基本波导方程式光纤通信系统 –1.2.2 对称介质平板波导的传输模式1.对称介质平板波导中的波导方程式和模式2.TE模式光纤通信系统 3.偶TE模式和奇TE模式1.偶TE模式光纤通信系统 2.奇TE模式光纤通信系统 4.传输常数的确定光纤通信系统 5.模式截止条件6.对称介质板波导中的TM模光纤通信系统 –1.2.3 介质板波导中的多模群时延l在多模传输的介质板波导中，也会产生多模群时延失真，使传输的光脉冲展宽 。
不同模式所产生的最大群时延差可用最低次模和最高次模的传输时间之差来表示：光纤通信系统 l1.3 阶跃折射率光纤的模式理论–1.3.1 圆柱坐标系中的波导方程式圆柱坐标系和直角坐标系的关系为：光纤通信系统 l圆柱坐标系中的波导方程l这个方程可以化为贝塞尔方程，在特定的边界条件下求解R(r )，便可得到阶跃折射率光纤的模式情况光纤通信系统 –1.3.2 阶跃折射率光纤中波动方程的解1.解的形式1.在纤芯中（r a），k＝k1＝k0n12.在包层里（r>a）， k＝k2＝k0n2光纤通信系统 2.边界条件和特征方程3.光纤中的各种导模光纤通信系统 光纤通信系统 4.模式的场型图光纤通信系统 –1.3.3 近似解－－LP模1.LP模是线偏振模LP模的名称来自英文Linearly Polarized Mode，即线性偏振模的意思，可以证明，若将HEν＋1，m模和EH ν－1，m线性叠加，得到的是直角坐标系中的线偏振模光纤通信系统 2.LP模的特征方程由电磁场的边界条件（r＝a时，Ez，Hz，Eφ和Hφ分量应连续），可以确定出LP νm模的特征方程为光纤通信系统 3.模功率分布4.阶跃折射率光纤中导模数量的估算光纤通信系统 l1.4 渐变折射率光纤的近似分析–1.4.1 渐变折射率光纤的近似解1.模式的量子力学解释2.传导模的WKBJ解3.转折点附近的解4.解的连续性和特征方程式光纤通信系统 –1.4.2 渐变折射率光纤特性的WKBJ法分析1.传输模式的数量光纤通信系统 2.P模群和模群间隔对阶跃折射率光纤，曾经通过对LP模的分析得到过p模群的概念。
也就是说，较高次模是分成群的，尽管ν，m的组合不同，但只要ν＋2m＝p，那么这些不同的LP模就有近似相等的传输常数，而用p模群来表示这些简并模模群间隔为：光纤通信系统 3.模式色散和g的最佳值折射率分布参数g应为：光纤通信系统 l1.5 单模光纤–1.5.1 单模光纤的基本分析光纤通信系统 –1.5.2 单模光纤的结构–1.5.3 单模光纤的频率色散1.单模光纤频率色散的计算光纤通信系统 2.单模光纤的零频率色散光纤通信系统 –1.5.4 单模光纤的极化1.单模光纤的极化演化2.极化色散光纤通信系统 3.单模单极化光纤光纤通信系统 –1.5.5 单模光纤的发展与演变光纤通信系统 第2章 光源和光调制l2.1 激光原理的基础知识–原子能级的跃迁1.原子的能级光纤通信系统 2.能级的跃迁原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级跃迁若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁l自发发射光纤通信系统 2.受激辐射和受激吸收光纤通信系统 –2.1.2 半导体中载流子的统计分布1.晶体的能带光纤通信系统 2.费米-荻拉克统计电子是费米子，它在各能级上的分布，要受泡里不相容原理的限制，即每个单电子量子态中最多只能容纳一个电子，它们或者被一个电子占据，或者空着。
电子在各能级中的分布服从费米-荻拉克统计3.各种半导体中电子的统计分布光纤通信系统 –2.1.3 PN结的能带1.PN结的形成光纤通信系统 2.PN结的能带光纤通信系统 l2.2 半导体激光器和发光二极管–2.2.1 半导体激光器1.激射条件l有源区里产生足够的粒子数反转分布；l存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡2.制作激光器的材料光纤通信系统 –2.2.2 F-P腔半导体激光器的结构与分类1.F-P腔的作用2.F-P腔激光器的结构与分类1.按垂直于PN结方向的结构分类光纤通信系统 2.按平行于PN结方向的结构分类光纤通信系统 光纤通信系统 –2.2.3 量子阱半导体激光器光纤通信系统 –2.2.4 分布反馈激光器1.结构特点光纤通信系统 2.工作原理光纤通信系统 3.DFB激光器的优点1.单纵模振荡2.谱线窄，波长稳定性好3.动态谱线好4.线性度好光纤通信系统 4.半导体激光器的基本性质光纤通信系统 –2.2.5 发光二极管1.工作原理光纤通信系统 2.结构和分类3.基本性质1.发射谱线和发散角2.响应速度3.热特性4.优点光纤通信系统 l2.3 半导体激光器的模式性质–2.3.1 厄密-高斯模式的解–2.3.2 激光器的纵模1.纵模的概念l对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起强场，这个强场使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。
光纤通信系统 光纤通信系统 2.由谐振条件求纵模的波长间隔光纤通信系统 3.纵模的性质光纤通信系统 光纤通信系统 –2.3.3 激光器的横模l近场图样和远场图样光纤通信系统 l2.4 半导体激光器的瞬态性质光纤通信系统 –2.4.1 瞬态过程光纤通信系统 –2.4.2 速率方程组及其解1.速率方程组2.速率方程组的稳态解光纤通信系统 3.速率方程组的瞬态解4.电光延迟时间光纤通信系统 5.码型效应光纤通信系统 –2.4.3 结发热效应1.激光器的热方程式2.稳定电流注入时的情况3.脉冲调制时的结发热效应光纤通信系统 光纤通信系统 l2.5 半导体激光器的自脉动现象–2.5.1 自脉动现象光纤通信系统 光纤通信系统 –2.5.2 双区共腔激光器中的自脉动光纤通信系统 –2.5.3 光丝耦合光纤通信系统 光纤通信系统 l2.6 半导体激光器的直接调制和光发射机–2.6.1光源的调制方式光纤通信系统 –2.6.2 光源的直接调制原理光纤通信系统 –2.6.3 激光发射机1.偏置电流和调制电流大小的选择2.激光器的调制电路光纤通信系统 3.激光器控制电路光纤通信系统 1.温度控制光纤通信系统 2.自动功率控制（APC）电路光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 l2.7 光源的间接调制–2.7.1 电光调制1.电光效应–当把电压加到晶体上的时候，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。
当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（Pocket）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（Kerr）效应电光调制器主要利用普科尔效应光纤通信系统 2.电光调幅光纤通信系统 3.电光调相4.横向电光调制器光纤通信系统 5.电光调制的频率特性光纤通信系统 –2.7.2 声光调制1.声光效应–超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质折射率也发生相应的变化因此，受超声波作用的晶体相当一个衍射光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长，当光波通过此介质时，将被介质中的弹性波衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化这个效应称为声光效应，或弹光效应光纤通信系统 2.喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射光纤通信系统 3.声光调制器4.磁光调制光纤通信系统 –2.7.4 波导调制器和电吸收调制器 光纤通信系统 第3章 光接收机l对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测（DD）方式时，光接收机的主要组成如图3.0所示光纤通信系统 l3.1 光电检测器–3.1.1 光电二极管1.工作原理光纤通信系统 2.光电二极管的波长响应光纤通信系统 3.光电转换效率光纤通信系统 4.响应速度光纤通信系统 –3.1.2 雪崩光电二极管1.工作原理光纤通信系统 2.APD的平均雪崩增益3.APD的结构光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 4.APD的过剩噪声光纤通信系统 l3.2 放大器及其电路的噪声–3.2.1 噪声分析的一般方法1.噪声的统计性质光纤通信系统 2.随机过程的数字特征1.均值2.方差和标准差3.平稳随机过程的功率谱密度光纤通信系统 –3.2.2 放大器输入端的噪声源1.输入端的等效电路及噪声源光纤通信系统 –3.2.3 场效应管和双极晶体管的噪声源1.场效应管（FET）的噪声源1.散粒噪声2.沟道热噪声3.输出端的总噪声功率光纤通信系统 2.双极晶体管的噪声源光纤通信系统 –3.2.4 前置放大器的设计1.低阻型前置放大器2.高阻型前置放大器3.跨（互）阻型前置放大器光纤通信系统 光纤通信系统 l3.3 光电检测过程的统计性质及灵敏度的精确计算光纤通信系统 –3.3.1 灵敏度计算的一般方法1.“0”码误判为“1”的概率为2.“1”码误判为“0”的概率为3.总误码率BER为光纤通信系统 –3.3.2 雪崩光电检测过程的统计分布l对雪崩光电检测过程，大体可分为两个阶段：1.“光子计数”阶段2.雪崩倍增过程的统计性质–3.3.3 接收机灵敏度的精确计算方法1.灵敏度的精确计算–精确计算方法是很复杂的，必须借助计算机才能完成。
为减少计算量，计算中也经常进行一些近似，重要性取样法及切诺夫界限法就是常用的近似方法2.重要性取样法3.切诺夫界限法利用随机变量的矩母函数和半不变矩母函数的性质，可以将随机变量和的统计特性的卷积计算化为乘积或求和的计算，从而大大减化计算过程光纤通信系统 l3.4 灵敏度计算的高斯近似法–3.4.1 光电检测器散粒噪声的计算1.输出电压的均值2.输出电压的方差3.暗电流噪声的功率谱密度–3.4.2 高斯近似计算公式及其推导过程1.假设判决时有最坏的码元组合2.假设判决时无码间干扰3.假设探测器的暗电流为零4.假设光源的消光比EXT＝0，同时将过剩噪声系数F(G)近似为5.判决电平光纤通信系统 –3.4.3 接收机灵敏度与z，B，a，EXT等因素的关系1.灵敏度与放大器噪声的关系2.接收机灵敏度与比特速率的关系3.灵敏度与输入波形的关系光纤通信系统 4.消光比和暗电流对灵敏度的影响光纤通信系统 –3.4.4 高斯近似计算的误差估计1.APD的散粒噪声近似为高斯型所带来的误差2.F(G) ≈﹤g﹥x3.最坏码元组合的假设所带来的误差光纤通信系统 光纤通信系统 –3.4.5 激光器和光纤系统的噪声1.激光器的量子噪声2.模式分配噪声3.模式噪声4.反射噪声光纤通信系统 l3.5 光接收机的均衡网络、自动增益控制电路和再生电路–3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路1.无码间干扰判决的条件光纤通信系统 2.均衡网络光纤通信系统 3.眼图分析法光纤通信系统 –3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路1.接收机的动态范围2.放大器电压自动增益控制电路光纤通信系统 光纤通信系统 3.实例光纤通信系统 –3.5.3 再生电路1.信号预处理2.锁相环路光纤通信系统 3.声表面波（SAW）滤波器光纤通信系统 第4章 光纤通信系统和通信网l4.1 数字光纤通信系统–4.1.1 数字光纤通信系统的组成光纤通信系统 1.电发射端机光纤通信系统 2.光发射端机光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 –4.1.2 系统性能及其测试1.误码性能2.抖动性能3.光中继器4.端接收机5.备用系统与辅助系统光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 3.系统性能指标的测试光纤通信系统 光纤通信系统 l4.2 光同步数字传输网光纤通信系统 –4.2.1 SDH的帧结构光纤通信系统 光纤通信系统 –4.2.2 SDH的复用映射结构1.SDH的复用映射结构光纤通信系统 2.ATM信元的映射光纤通信系统 2.指针和通道开销光纤通信系统 4.网同步的概念光纤通信系统 –4.2.3 SDH传送网的网络结构1.SDH传送网的功能结构光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 2.SDH网的物理拓扑光纤通信系统 光纤通信系统 3.自愈环形网光纤通信系统 光纤通信系统 l4.3 光纤通信系统的总体设计–4.3.1 系统的总体考虑光纤通信系统 光纤通信系统 –4.3.3 功率预算和色散预算1.功率预算2.光通道的色散代价3.反射代价4.光缆线路富余度Mc5.色散预算光纤通信系统 l4.4 光放大器光纤通信系统 –4.4.1 EDFA的工作原理和基本性能1.EDFA的工作原理光纤通信系统 2.EDFA的结构光纤通信系统 4.EDFA的基本性能光纤通信系统 光纤通信系统 –4.4.3 EDFA在系统中的应用1.系统应用方式l在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是功率放大器（power booster）、前置放大器（preamplifier）和放大器（in-line amplifier）。
2.EDFA的级连方式（如下页图）3.系统应用中的新问题光纤通信系统 光纤通信系统 l4.5 光纤接入网光纤通信系统 –4.5.1 混合光纤同轴型接入网1.混合光纤同轴型接入网的网络结构光纤通信系统 2.HFC反向通道的特性3.调制技术光纤通信系统 –4.5.2 无源光网络1.网络结构光纤通信系统 光纤通信系统 2.多址连接技术光纤通信系统 –4.5.3 有源光网络光纤通信系统 l4.6 模拟光纤通信系统–4.6.1 SCM光波系统的基本组成和调制方式–4.6.2 SCM光波系统的非线性失真光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 –4.6.3 SCM光纤通信系统中非线性失真的补偿光纤通信系统 第5章 光纤通信新技术l5.1 波分复用技术–5.1.1 WDM光纤通信系统的构成和概况1.波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）和光频分复用（OFDM）光纤通信系统 2.波分复用系统的构成光纤通信系统 光纤通信系统 –5.1.2 复用、解复用器件1.角色散型光纤通信系统 2.干涉型复用器件光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 3.单模光纤方向耦合器型光纤通信系统 光纤通信系统 –5.1.3 WDM系统的设计光纤通信系统 –5.1.4 相干光通信1.调制形式2.混频原理3.相干光通信系统的组成4.相位噪声对相干光通信的影响光纤通信系统 l5.2 非线性光学效应及其对光纤通信的影响–5.2.1 非线性光学效应1.非线性极化理论2.非线性光学效应1.从物理机理上讲，非线性光学效应大致可以分为两大类：一类称为参量过程（非激活的），另一类称为非参量过程（激活的）。
2.对光纤通信影响较大的非线性光学效应有：1.受激散射2.受激喇曼散射3.受激布里渊散射2.非线性折射率调制1.自相位调制2.交叉相位调制3.四波混频光纤通信系统 –5.2.2 受激散射及其对光纤通信的影响1.喇曼散射和布里渊散射的物理机理光纤通信系统 2.受激喇曼散射及对光通信的影响光纤通信系统 光纤通信系统 –5.2.3 非线性折射率调制引起的非线性光学效应1.自相位调制（SPM）2.交叉相位调制（XPM）3.四波混频（FWM）光纤通信系统 光纤通信系统 –5.2.4 光孤子通信光纤通信系统 l5.3 全光通信网–5.3.21 光交换方式1.空分光交换光纤通信系统 光纤通信系统 2.时分光交换光纤通信系统 3.波分光交换4.复合光交换光纤通信系统 –5.3.2 WDM全光通信网1.光传送网的分层结构2.波长通道和虚波长通道光纤通信系统 3.光交叉连接的节点结构光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 光纤通信系统 4.全光波长变换器1.交叉增益调制SOA型全光波长变换器光纤通信系统 2.交叉相位调制SOA型全光波长变换器光纤通信系统 5.国内外典型的光网络光纤通信系统 光纤通信系统 –5.3.3 WDM全光网中的同频干扰光纤通信系统 l5.4 色散补偿技术–5.4.1 单模光纤中的色散–5.4.2 半导体激光器的调制特性光纤通信系统 –5.4.3 色散补偿方案1.采用负色散光纤光纤通信系统 2.预啁啾技术光纤通信系统 光纤通信系统 3.色散支持传输法光纤通信系统 4.频谱反转法光纤通信系统 5.啁啾光栅滤波器光纤通信系统 l5.5 光时分复用技术光纤通信系统 光纤通信系统 。