光纤通信技术

　　近二十年来，光纤从一个研究热点迅速发展为强大的商业应用实体，而本书正是国外介绍其从入门理论到中级知识的优秀教材。本书首先通过示例、图解和问题解答对光纤的工作原理、制造、布线和安装进行了清晰的论述，然后进一步阐述了光纤通信的有关器件、系统和网络的最新革新。书中的内容分成了两个级别：“基础篇”扼要地介绍了基本概念，“深入篇”对理论性强的问题进行了细致的讨论。作为一本为学生而编写的教材，本书主要面向通信技术和工程相关专业的本科生，而工作在光纤领域的工程师和技术员也可以将其人为工作手册和日常参考。

　　徐公权，1941年生，1964年毕业于复旦大学，现为复旦大学计算机科学与工程系教授、复旦大学信息科学与工程学院常务副院长。曾领导多项重要科研项目，并多次获得省部级科技进步奖，发表科研论文约40篇。等等

第1章   电信和光纤的介绍 1
1.1  电信 1
1.1.1   电信是什么 1
1.1.2   电信：点到点系统和网络 1
1.1.3   运载信息能力 3
1.1.4   对光纤通信系统的需要 5
1.2   光纤通信系统：基本块 6
1.2.1   基本框图 6
1.2.2   光纤通信技术的作用 15
1.3  回顾与展望 15
1.3.1   历史注释 15
1.3.2   光纤工业的现状与未来趋势 18
1.3.3   关注发展 24
习题 24
参考文献 25
第2章   光物理学：简要概述 26
2.1   电磁波 26
2.2   光束（光线） 28
2.3   光子流 32
2.3.1   能级图 32
2.3.2   光子 33
2.3.3   辐射与吸收 34
小结 36
习题 37
参考文献 38
第3章   光纤—基础篇 39
3.1   光纤如何对光进行传导 39
3.1.1   阶跃折射率光纤：基本结构 39
3.1.2   发射光：理解数值孔径 42
3.2   衰减 45
3.2.1   弯曲损耗 45
3.2.2   散射 48
3.2.3   吸收 48
3.2.4   对总衰减的计算 49
3.2.5   对衰减进行测量 51
3.3   模间色散和色度色散 52
3.3.1   模式 52
3.3.2   模式（模间）色散 55
3.3.3   对模式色散问题的第一种解决
方案—渐变折射率光纤 57
3.3.4   对模式色散问题更好的解决
方案—单模光纤 59
3.3.5   色度色散 61
3.4   比特率和带宽 63
3.4.1   比特率和带宽定义 63
3.4.2   色散和比特率 64
3.5   查阅数据表单 65
3.5.1   从哪里开始 65
3.5.2   常规部分 65
3.5.3   光特性部分 66
3.5.4   几何特性部分 69
3.5.5   环境说明部分 70
3.5.6   机械说明部分 70
3.5.7   其他特性 71
3.5.8   结论 72
小结 72
习题 74
参考文献 76
第4章   光纤—深入篇 77
4.1   麦克斯韦方程 77
4.1.1   麦克斯韦方程组 77
4.1.2   对麦克斯韦方程的解释 78
4.1.3   波方程 80
4.1.4   求解波方程 81
4.2   EM波的传播 83
4.2.1   时间谐波EM场的波方程 83
4.2.2   EM波在一个有损介质中传播 84
4.2.3   EM波在波导中传播 86
4.3   再论全内反射 89
4.3.1   边界条件 89
4.3.2   反射 90
4.4   再论模式 93
4.4.1   关于模式理论及其重要结果的
几点说明 93
4.4.2   线性偏振模式 94
4.4.3   三类模式：导向模式. 辐射模
式和泄漏模式 98
4.4.4   相位和群速度 99
4.4.5   能量限制 100
4.4.6   截止波长（频率） 101
4.4.7   计算机仿真 105
4.5   多模光纤中的衰减 105
4.5.1   一般方法 105
4.5.2   内部损耗 106
4.5.3   外部损耗—吸收 108
4.5.4   外部损耗—弯曲损耗 108
4.5.5   模式. 衰减和衰减常数 110
4.6   多模光纤中的色散 112
4.6.1   一般注释 112
4.6.2   模间（模式）色散—更详细
的讨论 114
4.6.3   色度色散—材料色散 115
4.6.4   波导色散 121
4.6.5   多模光纤的带宽 121
小结 124
习题 124
参考文献 126
第5章   单模光纤—基础篇 128
5.1   单模光纤如何工作 128
5.1.1   工作原理 128
5.1.2   高斯光束 129
5.1.3   纤芯. 包层和模场直径 130
5.1.4   截止波长 132
5.2   衰减 132
5.2.1   弯曲损耗 132
5.2.2   散射 134
5.2.3   吸收 134
5.3   色散和带宽 135
5.3.1   色度色散 135
5.3.2   传统光纤. 色散偏移光纤和
色散平滑光纤 139
5.3.3   偏振模式色散 142
5.3.4   单模光纤的带宽（比特率） 144
5.4   查阅数据表单 145
5.4.1   常规部分 145
5.4.2   规格部分 148
小结 150
习题 151
参考文献 152
第6章   单模光纤—深入篇 153
6.1   模场 153
6.1.1   高斯模型和真实的模场分布 153
6.1.2   截止波长和V值 155
6.2   再论单模光纤中的衰减 157
6.3   克服单模光纤中的色散 162
6.3.1   色度色散 162
6.3.2   克服色度色散 163
6.3.3   用色散补偿光纤对色度色散
进行补偿 164
6.3.4   色散补偿光栅 168
6.3.5   色散补偿：系统的观点 170
6.3.6   克服偏振模式色散 171
6.3.7   偏振相关损耗 176
6.3.8   简短的总结 176
6.4   单模光纤中的非线性效应 177
6.4.1   非线性折射效应 178
6.4.2   四波混合 182
6.4.3   受激散射 184
6.5   光纤设计的趋势 186
小结 187
习题 189
参考文献 190
第7章   制纤. 制缆和安装 192
7.1   制纤 192
7.1.1   两个主要阶段 192
7.1.2   气相沉积法 194
7.1.3   涂敷层 200
7.2   光纤光缆 201
7.2.1   光缆 201
7.2.2   查阅数据表单 223
7.3   安装—放置光缆 224
7.3.1   分类 224
7.3.2   安装过程 225
小结 226
习题 227
参考文献 227
第8章   光缆连接与测试 229
8.1   接合 229
8.1.1   连接损耗 229
8.1.2   接合过程 233
8.1.3   结论 237
8.2   连接器 237
8.2.1   连接器的基本结构 238
8.2.2   主要特性 239
8.2.3   连接器类型的过去. 现在和未来 241
8.2.4   标准 244
8.2.5   查阅数据表单 244
8.2.6   端接过程 245
8.2.7   插座. 适配器和专用连接器 245
8.2.8   测试和测量 246
8.3   安装硬件 248
8.3.1   为什么安装硬件 248
8.3.2   硬件系统及部件 250
8.3.3   结论 260
8.4   局域网的安装设计 260
8.4.1   链路考虑—功率预算和上升
时间预算（带宽） 261
8.4.2   局域网 265
8.4.3   局域网的布线 267
8.4.4   基本的建议 269
8.4.5   塑料（聚合物）光纤 271
8.5   测试. 故障诊断及测量 271
8.5.1   测试仪器 272
8.5.2   我们需要测试什么 279
8.5.3   网络衰减测试 280
8.5.4   网络带宽测试 282
8.5.5   连接器和接合测试 282
8.5.6   故障诊断 284
小结 285
习题 286
参考文献 287
第9章   光源和发送器—基础篇 289
9.1   发光二极管 289
9.1.1   半导体的光辐射 289
9.1.2   综合考虑 293
9.1.3   查阅数据表单—LED的特性 298
9.2   激光二极管 307
9.2.1   工作原理 307
9.2.2   超发光二极管 320
9.3   查阅激光二极管特性数据表单 320
9.3.1   宽域激光二极管 320
9.3.2   查阅分布反馈激光二极管的
数据表单 327
小结 332
习题 334
参考文献 338
第10章   光源和发送器—深入篇 339
10.1   再论半导体 339
10.1.1   本征半导体：费米能级和
载流子数 339
10.1.2   掺杂半导体 341
10.1.3   p-n结 342
10.1.4   偏移 344
10.1.5   对带隙的进一步研究 345
10.2   激光二极管的效率 347
10.2.1   输入输出关系 348
10.2.2   三种效率 349
10.2.3   再论激光二极管工作效率 353
10.3   激光二极管的特征 357
10.3.1   阈值电流与工作电流 357
10.3.2   辐射波长和光谱宽度 359
10.3.3   辐射模式 361
10.3.4   激光器调制 363
10.3.5   啁啾现象 369
10.3.6   噪声 369
10.4   发送器组件 371
10.4.1   发送器的功能框图和典型电路 371
10.4.2   封装与可靠性 380
10.4.3   查阅发送器的数据表单 383
10.4.4   外部调制器 388
小结 396
习题 397
参考文献 401
第11章   接收器 403
11.1   光电二极管 403
11.1.1   p-n光电二极管是如何工作的 403
11.1.2   功率关系 405
11.1.3   带宽 409
11.1.4   p-i-n光电二极管 412
11.1.5   雪崩光电二极管 414
11.1.6   MSM光电探测器 417
11.2   查阅光电二极管的数据表单 418
11.2.1   p-i-n光电二极管的数据表单 418
11.2.2   雪崩光电二极管的数据表单 424
11.2.3   硅光电二极管 425
11.2.4   结论 426
11.3   再论光电探测器 426
11.3.1   光电二极管中的噪声源 426
11.3.2   信噪比和噪声等效功率 431
11.3.3   灵敏度和量子限 434
11.4   接收部件 440
11.4.1   接收器的功能框图和典型电路 440
11.4.2   判别电路的设计 446
11.4.3   查阅接收器的数据表单 450
11.4.4   光电集成电路 454
小结 455
习题 457
参考文献 462
第12章   光纤网络元件 464
12.1   光纤网络概述 464
12.1.1   点到点链路 464
12.1.2   网络 466
12.2   光纤网络的收发器 475
12.2.1   发送器 475
12.2.2   接收器 483
12.3   半导体光放大器 486
12.3.1   光放大器概述 486
12.3.2   SOA的工作原理 488
12.3.3   SOA的增益 489
12.3.4   SOA的带宽 494
12.3.5   串音 496
12.3.6   偏振相关增益 497
12.3.7   噪声 498
12.3.8   查阅SOA数据表单 501
12.3.9   SOA应用 502
12.3.10   SOA的优缺点  502
12.4   掺铒光纤放大器 502
12.4.1   如何产生放大 502
12.4.2   C-波段和L-波段 505
12.4.3   掺铒光纤的增益和噪声 505
12.4.4   EDFA模块的元件 510
12.4.5   查阅EDFA的数据表单 529
12.4.6   其他类型的光纤放大器 536
小结 537
习题 540
参考文献 543
第13章   光纤网络的无源元件. 交换机
和功能模块 546
13.1   耦合器/分离器 546
13.1.1   熔接双锥渐细耦合器—工作原理 546
13.1.2   查阅数据表单 549
13.1.3   FBT耦合器：如何做WDM
耦合器 556
13.1.4   相位不匹配 560
13.2   波分多路复用器和多路分解器 561
13.2.1   WDM MUX/DEMUX和耦合器 562
13.2.2   WDM MUX和DEMUX：它们
如何工作 563
13.2.3   WDM MUX/DEMUX应用—
增/删和路由器 573
13.3   滤波器 574
13.3.1   光滤波器：它们是什么 574
13.3.2   固定滤波器 576
13.3.3   可调谐滤波器 578
13.4   隔离器. 环形器和衰减器 583
13.4.1   隔离器 583
13.4.2   环形器 588
13.4.3   衰减器 589
13.5   光交换机和功能模块 591
13.5.1   光交换机 591
13.5.2   波长转换器 595
13.5.3   功能模块 597
13.5.4   结论 600
小结 600
习题 601
参考文献 602
第14章   光纤网络介绍 605
14.1   传输什么数据和怎么传输数据 605
14.1.1   传输语音. 视频和数据 605
14.1.2   电话网 606
14.1.3   计算机网络 615
14.1.4   有线电视 620
14.2   光纤网络结构的基本要素 624
14.2.1   网络. 协议和服务 624
14.2.2   开放系统互连参考模型 624
14.2.3   SONET网络和分层 629
14.2.4   ATM网络和分层 632
14.2.5   光纤网络的分层结构 634
14.2.6   光层 636
14.3   网络管理和光纤网络的未来 640
14.3.1   网络管理的功能 640
14.3.2   如何实现网络管理 641
14.3.3   光纤网络生存性（网络保护
和恢复） 642
14.3.4   结论：光纤网络的未来 648
小结 650
习题 654
参考文献 658
第15章   结论 662
15.1   带宽：业界的“圣杯” 662
15.2   部署新光纤线路 662
15.3   光纤：难题很多, 要寻求解决方案 663
15.4   光纤器件 664
15.5   波分复用：满足惊人的需求 666
15.6   网络 666
15.7   无线通信和光纤网络 667
小结 668
参考文献 668
附录A   常量表. 10的幂表. 国际单位制
表. 分贝单位和希腊字母表 671
附录B   本书中使用的缩写. 简写. 符号
和单位 674
附录C   参考文献精选 683
附录D   产品. 服务和标准 693