高等院校通信与信息专业规划教材：光纤通信 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　《高等院校通信与信息专业规划教材：光纤通信》根据光纤通信技术和工程应用的最新进展，为满足教材和读者的需求，就光纤通信的基本知识编写而成。
　　全书共分9章，首先讲解了光纤通信必备的基础知识；接着介绍了光纤和光缆，光纤通信无源器件，光接收、发射和放大，编码和调制、复用和解复用技术；然后阐述了波分复用（WDM）、光正交频分复用（O-OFDM）、光相干和光孤子传输系统及光纤通信系统设计；最后介绍了无源光网络接入技术。书中特别介绍了高速传输系统技术，如高速波导探测器、多种阵列波导（AWG）光栅器件、先进光调制方式、超强前向纠错（FEC）、光信噪比、射频信号光纤传输（RoF）和偏振复用/间插/相干接收技术等。

目录

前言
第1章 光纤通信概述
1.1 光纤通信技术的发展
1.1.1 光通信发展史
1.1.2 光传输网的技术演进和标准化进展
1.1.3 光纤通信的优点
1.1.4 光纤通信系统组成
1.2 光波基础
1.2.1 光的本质-波动性和粒子性
1.2.2 均匀介质中的光波-光是电磁波
1.3 光的传播特性
1.3.1 光的相干
1.3.2 光的偏振
1.3.3 光的双折射-偏振器件基础
1.4 平板介质波导
1.4.1 光波在波导中传输的条件——全反射和相长干涉
1.4.2 单模和多模波导-V参数
1.4.3 TE模、TM模和HE模
1.5 复习思考题
1.6 习题

第2章 光纤和光缆
2.1 光纤的结构和类型
2.1.1 多模光纤
2.1.2 单模光纤
2.1.3 光纤制造工艺
2.2 光纤传输原理
2.2.1 光线光学分析传输条件-全反射和相干
2.2.2 导波光学分析光纤传输原理——用波动方程求解
2.2.3 单模光纤的基本特性
2.3 光纤传输特性
2.3.1 衰减
2.3.2 色散
2.3.3 光纤比特率
2.3.4 光纤带宽
2.3.5 非线性光学效应
2.4 单模光纤的分类和应用
2.4.1 单模光纤的分类和技术指标比较
2.4.2 色散补偿光纤
2.4.3 下一代光纤技术的发展
2.5 光纤的选择
2.6 光缆
2.6.1 对光缆的基本要求
2.6.2 光缆结构和类型
2.7 复习思考题
2.8 习题

第3章 光纤通信无源器件
3.1 连接器
3.1.1 活动连接器的结构和特性
3.1.2 连接损耗
3.1.3 接头
3.2 耦合器
3.2.1 方向耦合器
3.2.2 熔拉双锥星形耦合器
3.2.3 阵列波导光栅星形耦合器
3.2.4 单纤双向光耦合器
3.3 光隔离器
3.3.1 法拉第磁光效应
3.3.2 磁光块状光隔离器
3.3.3 磁光波导光隔离器
3.4 光环行器
3.5 可调谐光滤波器
3.5.1 光的干涉
3.5.2 法布里-珀罗滤波器
3.5.3 马赫-曾德尔滤波器
3.5.4 布拉格光栅滤波器
3.5.5 阵列波导光栅滤波器
3.6 波分复用/解复用器
3.6.1 棱镜复用/解复用器
3.6.2 衍射光栅解复用器
3.6.3 阵列波导光栅复用/解复用器
3.6.4 马赫-曾德尔干涉滤波复用/解复用器
3.6.5 介质薄膜干涉滤波解复用器
3.7 调制器
3.7.1 电光调制器
3.7.2 电吸收波导调制器
3.8 光开关
3.8.1 微机电系统光开关
3.8.2 电光开关
3.8.3 热光开关
3.9 光分插复用器
3.9.1 基本概念
3.9.2 微机电系统光分插复用器
3.9.3 阵列波导光栅光分插复用器
3.9.4 可重构光分插复用器
3.9.5 波长选择交换可重构光分插复用器
3.10 波长转换器
3.11 相干系统偏振器件
3.11.1 相位延迟片和相位补偿器
3.11.2 起偏器和检偏器
3.11.3 尼科尔棱镜-一种起偏器
3.11.4 渥拉斯顿棱镜-一种偏振分束器
3.11.5 偏振控制器
3.12 复习思考题
3.13 习题

第4章 光源和光发射机
4.1 光源和光发射机基础
4.2 发光机理
4.2.1 发光机理概述
4.2.2 激光器起振的阈值条件
4.2.3 激光器起振的相位条件
4.3 半导体激光器结构
4.3.1 异质结半导体激光器
4.3.2 量子限制激光器
4.3.3 分布反馈激光器
4.4 波长可调半导体激光器
4.4.1 耦合腔波长可调半导体激光器
4.4.2 衍射光栅波长可调激光器
4.4.3 阵列波导光栅波长可调激光器
4.5 垂直腔表面发射激光器
4.6 半导体激光器的特性
4.6.1 半导体激光器的基本特性
4.6.2 模式特性
4.6.3 调制响应
4.6.4 半导体激光器噪声
4.7 高速光发射机
4.8 复习思考题
4.9 习题

第5章 光探测和光接收机
5.1 光探测原理
5.1.1 响应度和量子效率
5.1.2 响应带宽
5.2 光探测器
5.2.1 PIN光敏二极管
5.2.2 雪崩光敏二极管
5.2.3 单行载流子光探测器
5.2.4 波导光探测器
5.2.5 行波探测器
5.3 数字光接收机的构成
5.3.1 光电转换和前置放大器
5.3.2 线性放大器
5.3.3 数据恢复
5.4 接收机信噪比
5.4.1 噪声机理
5.4.2 PIN 光接收机的信噪比
5.4.3 APD接收机的信噪比
5.4.4 光信噪比和信噪比的关系
5.5 接收机误码率和灵敏度
5.5.1 比特误码率
5.5.2 最小平均接收光功率（接收机灵敏度）
5.5.3 灵敏度下降机理
5.6 光接收机
5.6.1 光接收机性能
5.6.2 阵列波导光栅多信道光接收机
5.6.3 107Gbit/s WG-PIN行波放大光接收机
5.7 复习思考题
5.8 习题

第6章 光放大器
6.1 光放大器基础
6.1.1 光放大器的作用和分类
6.1.2 光放大器的应用
6.1.3 光放大器的增益和噪声
6.2 掺铒光纤放大器
6.2.1 掺铒光纤放大器的构成
6.2.2 EDFA的工作原理及其特性
6.3 光纤拉曼放大器
6.3.1 分布式光纤拉曼放大器的工作原理
6.3.2 拉曼增益和带宽
6.4 半导体光放大器
6.5 复习思考题
6.6 习题

第7章 光纤通信系统
7.1 光纤通信系统基础
7.1.1 脉冲编码——将模拟信号变为数字信号
7.1.2 信道编码——减少误码方便时钟提取
7.1.3 信道复用——提高信道容量，充分利用光纤带宽
7.1.4 光调制——让光携带声音和数字信号
7.2 电复用光纤传输系统
7.2.1 频分复用光纤传输系统
7.2.2 微波副载波复用/射频信号光纤传输系统
7.2.3 光纤/电缆混合网——典型的FDM光纤通信系统
7.2.4 SDH光纤传输系统——典型的TDM光纤通信系统
7.3 光复用光纤传输系统
7.3.1 波分复用光纤传输系统
7.3.2 光正交频分复用光纤传输系统
7.4 相干光波通信系统
7.4.1 相干检测原理
7.4.2 相干解调方式
7.4.3 相干系统光调制
7.4.4 相干系统接收
7.4.5 相干实验系统
7.5 光孤子通信实验系统
7.5.1 光孤子的基本概念
7.5.2 光孤子通信实验系统的工作原理和应用前景
7.6 高速光纤传输技术及系统
7.6.1 先进光调制制式
7.6.2 偏振复用相干接收技术
7.6.3 超强FEC纠错技术
7.6.4 高速光纤传输系统
7.6.5 低速信号提升到100Gbit/s高速信号的途径
7.7 光纤传输系统色散补偿和管理
7.7.1 负色散光纤补偿
7.7.2 光滤波器补偿
7.7.3 啁啾光纤色散补偿
7.7.4 电子色散补偿
7.7.5 波分复用系统色散补偿
7.7.6 色散管理
7.8 复习思考题
7.9 习题

第8章 光纤通信系统设计
8.1 系统设计的总体考虑
8.1.1 系统结构
8.1.2 光纤损耗限制系统
8.1.3 光纤色散限制系统
8.2 功率预算
8.3 带宽设计
8.4 复习思考题
8.5 习题

第9章 无源光网络接入技术
9.1 接入网在网络建设中的作用及发展趋势
9.1.1 接入网在网络建设中的作用
9.1.2 光接入网技术演进
9.1.3 三网融合-接入网的发展趋势
9.2 网络结构
9.2.1 光接入网的网络结构
9.2.2 光线路终端
9.2.3 光网络单元
9.2.4 光分配网络
9.3 无源光网络基础
9.3.1 分光比
9.3.2 结构和要求
9.3.3 下行复用技术
9.3.4 上行接入技术
9.3.5 安全性和私密性
9.4 PON接入系统
9.4.1 EPON系统
9.4.2 GPON系统
9.4.3 WDM-PON系统
9.4.4 OFDM-PON系统
9.5 复习思考题
9.6 习题

附录
附录A 电磁波频率与波长的换算
附录B dBm与mW、mW的换算
附录C dB值和功率比
附录D 百分损耗（%）与分贝（dB）损耗的换算
附录E PDH与SDH速率等级
附录F WDM信道Dl和Dn 的关系
附录G 物理常数
附录H 系统设计参数
附录I 名词术语索引
参考文献

前言/序言

光纤通信：现代信息传输的基石 引言 在信息爆炸的时代，我们每天都在产生和消费海量的数据。从高清视频的流畅播放，到全球商业的即时交易，再到科学研究的跨洋协作，这一切的背后都离不开一种关键的技术支撑——光纤通信。本书旨在深入浅出地剖析光纤通信的原理、技术与应用，为广大读者，尤其是高等院校通信与信息工程专业的学生，提供一份系统而扎实的学习材料。我们将追溯光纤通信的起源，探索其核心组成部分，分析其优越性能，并展望其未来发展趋势，力求让读者在掌握基础理论的同时，也能洞察行业前沿。 第一章：光纤通信的历史溯源与发展脉络 任何一项革命性技术的诞生都不是一蹴而就的。光纤通信的发展历程，堪称人类智慧与不懈探索的结晶。本章将带您回溯至20世纪初，那些关于光能传输的早期设想。我们将重点关注20世纪60年代，Charles K. Kao博士在光纤损耗理论上的突破性工作，这一理论奠定了光纤作为通信介质的可行性。随后，我们将梳理出光纤制造技术的进步，从最初的高损耗玻璃纤维到如今近乎“透明”的超低损耗光纤，材料科学的飞跃如何直接推动了通信容量的指数级增长。 我们会详细介绍单模光纤和多模光纤的出现及其各自的特点，理解它们在不同应用场景下的优势。同时，我们将回顾光电信号转换技术的演进，激光器、LED光源的诞生与改进，以及光电探测器的发展，共同构成了光纤通信系统的“大脑”和“眼睛”。最后，本章将勾勒出光纤通信从局域网到骨干网，再到接入网的全面铺设过程，揭示其如何在短短几十年内深刻改变了全球通信格局，成为现代信息社会不可或缺的“神经网络”。 第二章：光纤作为传输介质的物理原理 要理解光纤通信，首先需要深入理解光在光纤中传输的物理机制。本章将从光的波动性与粒子性出发，介绍光的基本性质，如波长、频率、相位和偏振。我们将重点阐述全内反射（Total Internal Reflection, TIR）原理，这是光纤实现“光缆”的关键。通过对光线在介质界面折射率差异作用下传播路径的数学描述，读者将清晰地理解为何光能够被“束缚”在光纤内部，实现远距离传输。 我们还将深入探讨光纤的结构，包括纤芯（Core）和包层（Cladding）的材料构成及其折射率分布。通过对不同折射率分布模型（如阶跃型和渐变型）的分析，我们将理解它们如何影响光信号在光纤中的传播模式。此外，本章还将介绍光纤中的损耗机制，包括吸收损耗（Absorption Loss）和散射损耗（Scattering Loss），如瑞利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）。理解这些损耗源对于优化光纤设计、提高传输距离和信号质量至关重要。 第三章：光纤通信系统的关键组件剖析 一个完整的光纤通信系统，如同一个精密的乐团，需要各个组件的默契配合才能奏出美妙的“信息乐章”。本章将详细介绍构成光纤通信系统的核心组件及其工作原理。 光源（Light Source）：我们将深入研究目前主流的光源技术，包括激光器（Laser Diode, LD）和发光二极管（Light Emitting Diode, LED）。激光器因其单色性好、相干性强、输出功率高等优点，在高速长距离通信中占据主导地位；而LED则因其成本低、驱动简单等特点，在短距离、低速率通信中仍有广泛应用。我们将分析不同类型激光器（如DFB、FP激光器）的结构与特性。 光电探测器（Photodetector）：作为接收端的关键器件，光电探测器负责将接收到的光信号转换回电信号。本章将介绍PIN二极管和雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）等主流探测器的原理、结构与性能参数，如响应度、内量子效率、暗电流和噪声特性。 光纤连接器与耦合器（Fiber Connectors and Couplers）：在光纤网络的构建中，如何高效、低损耗地连接光纤是至关重要的问题。我们将探讨各种类型光纤连接器的设计原理，如SC、LC、FC等，以及其对信号完整性的影响。同时，介绍光纤耦合器（如Y型、X型、星型耦合器）在光信号分路和合路中的作用。 光放大器（Optical Amplifier）：为弥补光纤损耗，光放大器在长距离传输中扮演着“信号加油站”的角色。本章将重点介绍掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理，包括其能级结构、泵浦机制和放大过程。还将简要介绍其他类型的光放大器，如半导体光放大器（SOA）。 第四章：光信号的传输损耗与失真 尽管光纤具有极低的损耗，但光信号在传输过程中仍然不可避免地会遇到损耗和失真，这将直接影响通信系统的性能。本章将对这些影响因素进行深入分析。 光纤损耗：在第二章的基础上，我们将更详细地量化不同类型光纤的损耗特性，并讨论制造工艺、环境因素（如温度、应力）对损耗的影响。我们将分析宏弯损耗（Macrobending Loss）和微弯损耗（Microbending Loss），这两种损耗通常源于不当的安装和敷设。 色散（Dispersion）：色散是指不同频率（波长）的光信号在光纤中以不同速度传播的现象，它会导致信号脉冲展宽，从而限制通信速率和传输距离。本章将重点介绍几种主要的色散效应： 模式色散（Modal Dispersion）：主要存在于多模光纤中，由于不同模式光在光纤中传播路径长度不同而引起。 材料色散（Material Dispersion）：源于光纤材料折射率随波长变化而产生的差异。 波导色散（Waveguide Dispersion）：源于光纤结构（纤芯与包层）对不同模式光导引能力随波长变化而产生的差异。 偏振模色散（Polarization Mode Dispersion, PMD）：由于光纤制造不均匀导致其在不同偏振方向上传播速度不同而产生。 我们将探讨如何通过设计特殊结构光纤（如色散位移光纤、零色散光纤）或采用色散补偿技术来减缓色散的影响。 第五章：光纤通信系统的关键性能指标与设计考量 为了构建高效可靠的光纤通信系统，需要对系统的各项性能指标进行科学评估和优化。本章将聚焦于这些关键指标及其在系统设计中的意义。 传输速率（Transmission Rate）与带宽（Bandwidth）：理解比特率（Bit Rate）的概念，以及光纤通信系统能够承载的最大数据传输速率。我们将讨论影响传输速率的因素，如光源的调制速率、光纤的带宽特性、接收器的灵敏度等。 误码率（Bit Error Rate, BER）：这是衡量数字通信系统性能最重要的指标之一，代表着传输错误比特数与总传输比特数之比。我们将分析导致误码率升高的因素，如噪声、信号衰减、色散和串扰，并介绍如何通过提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）和采用纠错编码（Error Correction Coding, ECC）等技术来降低BER。 信噪比（SNR）与信光比（Optical Signal-to-Noise Ratio, OSNR）：深入理解这两个概念在光通信系统中的重要性，它们直接决定了系统能否从噪声中准确地恢复出原始信号。 传输距离（Transmission Distance）：在有限的损耗和色散条件下，光信号能够可靠传输的最大距离。我们将分析如何通过优化器件性能、使用光放大器和色散补偿技术来延长传输距离。 系统预算（Link Budget）：这是一项系统设计中必不可少的工作，通过对系统中所有链路的损耗和增益进行精确计算，来评估系统能否满足所需的性能要求。 第六章：现代光纤通信技术进展 光纤通信技术的发展从未停歇，新的技术不断涌现，推动着信息传输能力向更高的维度迈进。本章将介绍一些现代光纤通信领域的关键技术进展。 波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）与密集波分复用（Dense WDM, DWDM）：这是提升光纤传输容量最有效的方法之一。我们将深入解析WDM的基本原理，即在同一根光纤中传输多个不同波长的光信号，从而实现“一纤多用”。DWDM则是在此基础上进一步密集化信道，极大地提高了光纤的利用率。我们将讨论WDM/DWDM系统的关键组件，如波长选择开关（WSS）、光复用器（Mux）和光解复用器（Demux）。 相干光通信（Coherent Optical Communication）：相比于传统的强度调制，相干光通信利用光的相位、幅度和偏振等信息进行调制，大幅提升了频谱效率和传输速率。我们将介绍相干检测的基本原理，以及相干光通信在高速率（如100Gbps、400Gbps及以上）传输中的优势。 光网络（Optical Network）：从点到点连接到复杂的网络拓扑，光网络技术正在不断演进。我们将介绍各种光网络架构，如无源光网络（PON）在接入网中的应用，以及软件定义网络（SDN）在光网络管理中的作用。 光子集成技术（Photonic Integrated Circuits, PICs）：将多种光电子器件集成到一块芯片上，是 miniaturization 和降低成本的关键。我们将介绍PICs在光模块、光收发器等方面的应用前景。 第七章：光纤通信在不同领域的应用 光纤通信的触角已经深入到我们生活的方方面面，其卓越的性能使其成为各种通信应用的首选。本章将展示光纤通信在不同领域的广泛应用。 电信骨干网（Telecommunication Backbone Networks）：支撑全球通信信息传输的大动脉，光纤通信是其核心。 互联网基础设施（Internet Infrastructure）：连接全球数据中心，支撑互联网的稳定运行。 移动通信（Mobile Communications）：为4G、5G甚至未来的6G提供高带宽回传和前传。 有线电视网络（Cable Television Networks）：提供高清视频和高速互联网接入。 数据中心互联（Data Center Interconnect, DCI）：满足海量数据中心之间日益增长的互联需求。 军事通信（Military Communications）：提供高安全性、高带宽和抗干扰能力强的通信。 工业自动化与智能制造（Industrial Automation and Smart Manufacturing）：支持工业物联网（IIoT）和实时数据采集。 科研与医疗（Scientific Research and Healthcare）：如粒子加速器控制、远程医疗诊断等。 结论 光纤通信技术作为现代信息社会不可或缺的基石，其发展速度和技术深度仍在不断拓展。本书旨在为读者提供一个全面而深入的学习平台，帮助您理解光纤通信的过去、现在和未来。通过对本书内容的学习，相信您将能构建起坚实的理论基础，为未来在通信与信息领域的学习和工作打下坚实的基础。光纤通信的光明未来，正等待着您的探索与创造！