光纖通信(第五版)（簡體書）

本書系統地介紹了光纖通信的各方面知識。全書共14章，內容涵蓋光纖傳輸原理和傳輸特性，半導體光源和光檢測器的工作原理與工作特性，數位光纖通信系統和類比光纖通信系統，光放大器的工作原理和性能，WDM系統原理與器件，光網路與光交換，光纖通信系統的性能測量及管理。與前一版相比， 新增了高級光調製格式、100 Gbps和400 Gbps鏈路、光纖的非線性效應、光子晶體光纖、高速通信中的前向糾錯、光載射頻（ROF）及光纜鋪設等新內容。

Gerd Keiser 國立臺灣科技大學電子工程系科學顧問委員會客座教授。他的教學科研興趣包括光子器件研發、光傳輸系統、光纖到駐地網路、智慧建築和智慧家用網路以及生物醫學光子學。此外，他還是光子通信聯盟的發起人和首席顧問。他曾在Honeywell，GTE和通用動力等公司任職，從事光網路和數位交換技術的開發與應用。他在GTE的技術成就贏得了Leslie Award獎。他還擔任過美國東北大學、塔夫茨大學和波士頓大學的兼職教授。Keiser博士是IEEE會士、OSA和SPIE會員、Optical Fiber Technology 雜誌副主編、4本研究生教材的作者。

譯 者 序

由於Gerd Keiser 教授的Optical Fiber Communications一書的世界性影響， 2002年我們將本書的第三版翻譯成中文， 受到了國內同仁及相關專業學生的歡迎。轉瞬間， 十幾個年頭過去了， 光纖通信領域在這十多年間取得了許多新的進展， 而Gerd Keiser 教授也將本書的第五版奉獻給了讀者。為方便國內讀者學習， 我們又提供了新版的中譯本以饗讀者。
在作者所寫的前言中已詳細列出了第四版和第五版新增加的內容。在諸多新內容中我們認為讀者需要關注如下熱點：
1.關於光子晶體光纖、 少模光纖和多芯光纖的結構及工作原理， 光子晶體光纖有可能為多種光子器件的設計帶來革命性的變革， 基於少模/多芯光纖的模分複用技術具有重要的潛在應用價值。
2.與超高速傳輸相聯繫的內容， 例如QPSK調製、 相干檢測、 前向糾錯、 高載模式接收等， 當前已實現的單波長100 Gbps及更高速率的相干傳輸技術尤其引人關注。
3.非線性效應及其影響， 近年來基於光纖的非線性效應實現光信號處理是極為活躍的前沿研究課題。
4.光載射頻（ROF）技術及微波光子學， 這是一個光子學與微波毫米波技術相結合的新興交叉領域， 極具活力。
5.IP over WDM、 光乙太網、 光纖到駐地（FTTP）無源光網路等技術與無線接入技術相結合， 將產生重大影響。
另外， 新增加的有關國際標準、 光纜鋪設等內容對於讀者， 尤其是從事系統設計和工程建設的工程技術人員也是極有説明的。
本書第五版主要由蒲濤、 徐俊華、 蘇洋翻譯， 譯者所在教研室的研究生劉穎、 魏志虎、 孫幗丹、 陳寅芳、 劉雙、 葉振新、 熊錦添、 孟楠、 陳大雷參與了部分章節的翻譯工作， 全書由李玉權審校。在此對於他們所付出的辛勤勞動致以衷心的感謝。
受譯者學識水準所限， 加之本書篇幅浩大， 多人參與翻譯工作， 譯文中出現不妥乃至錯誤之處在所難免， 熱望讀者不吝賜教。

譯 者
2015.12于南京

前 言

本書的目標
自1983年本書第一版問世以來， 光纖通信歷經了令人神往的發展歷程。特別值得一提的是,高錕(Charles Kuen Kao)以其超越時代的洞察力,發現可以使用玻璃纖維作為資料傳輸媒介， 其執著的後繼工作帶來了低損耗光纖的進一步發展， 這使得他榮獲2009年諾貝爾物理學獎。第一根超純光纖在高錕預言之後的第4年， 即1970年研製成功。這一突破導致與光纖相關的系列技術的發展。最初人們僅關心傳輸鏈路技術， 隨後很快轉移到越來越複雜的網路技術。許多新器件和通信技術加入光纖通信中。其中有的技術獲得極大成功， 也有的技術因為實現過於複雜而被淘汰， 還有的技術由於過於超前在經歷一段時間的冬眠期後再次出現。基於光纖技術的現代大容量電信網路已成為社會不可分割的一部分。這些先進網路的應用領域從簡單的網頁流覽到電子郵件交互再到健康診斷、 網格和雲計算及複雜的商業交換。由於網路對於日常生活如此重要， 我們越來越期望通信服務能夠永遠線上並功能合理。要滿足這一近乎苛刻的需求， 需要對從器件發展到系統設計安裝和網路運行維護的所有技術方面進行仔細的工程化考量。
為了突出上述技術的成就與現狀， 本書第五版力求展現基本原理， 以利於理解光纖技術並更廣泛地將其應用于現代通信網。本書的系列論述將帶領讀者系統地領略光纖鏈路中器件及其相互間影響的根本原理， 講述複雜光鏈路和網路的架構與性能特徵， 瞭解網路安裝與維護中需要的基本測量技術。通過理解、 掌握這些基本問題， 讀者不僅可以從事器件、 通信鏈路或者設備的設計， 還能夠預見未來網路技術的發展方向。
本書的內容
為達到上述目標， 本書第1章給出了光纖通信系統的概述。其內容包括採用光纖的原因和好處， 所使用的頻帶， 波分複用如何提高光纖的傳輸容量， 採用的標準和模擬工具。
第2章至第11章描述了光鏈路中主要元器件的性能特徵。這些元器件包括光纖、 光源、 光檢測器、 無源光器件、 光放大器， 以及用於多波長網路中的有源光電器件。光纖是光鏈路中最為重要的器件。第2章和第3章給出了各類光纖的物理結構、 所用材料、 損耗特性、 光傳播機理以及信號畸變特性。第3章還介紹了光纖製造方法和幾種常用光纜。這兩章的新增內容包括有關光子晶體光纖的討論， 以及它對模式效應和脈衝展寬性能的改善。
第4章論述了光通信中所用光源的結構、 發光原理和使用特性。此外還論述了直接調製和外調製技術、 溫度效應、 器件壽命和線路編碼方法。在第5章中描述了如何有效地將光源發射光束耦合進光纖， 以及如何將兩段光纖以功率損耗最小的方式連接起來。
光接收機的任務是檢測到達光信號並將其轉換為可被後繼電接收機處理的電信號。第6章內容包括光檢測器的結構與回應特性。第7章描述了光接收機的原理和功能。這一章中的新內容包括光接收機的簡化數學描述、 信號檢測的統計概念、 眼圖測量方法， 以及用於無源光網路中的高載模式接收機簡介。
第8章和第9章分別介紹了數位和類比鏈路的設計方法。第8章包括鏈路功率預算和頻寬限制的討論。新內容包括功率代價、 基本相干檢測方案和數位信號差錯控制方法。第9章增加了在光纖中傳輸微波射頻類比信號的概念。射頻光傳輸技術的一個擴展應用是室外和大樓內移動終端的寬頻光載射頻（ROF）網路。
第10章論述了波分複用（WDM）的原理， 介紹了普通WDM鏈路的功能， 討論了不同WDM方案的國際標準。本章的新內容包括有源和無源WDM器件的描述和應用舉例， 例如光纖布拉格光柵、 薄膜濾波器、 陣列波導光柵、 衍射光柵和可調光衰減器等。
第11章描述了實現光放大的不同方法。其中有半導體光放大器、 摻雜光纖放大器和新型的拉曼放大器。除了傳統摻餌光纖放大器（EDFA）的論述， 還有用於S波段的摻銩光纖放大器（TDFA）和用於L波段的增益移位元EDFA的新結構。
第12章至第14章展示了如何將各個元器件組合構成鏈路和網路， 給出了評估光器件和鏈路性能的測量方法。第12章的新內容包括光纖中非線性過程的來源與影響。許多非線性效應會導致系統性能劣化， 必須予以控制， 另外一些（如受激拉曼散射效應）則可以加以利用。
第13章擴展了有關長途、 城域、 局域和接入光網路的內容。重點增加了當前已實現的單波長100 Gbps、 不遠的未來能夠達到400 Gbps和1 Tbps傳輸的相干鏈路技術。還增加了光分插複用器和光交叉連接的概念， 波長路由， 光封包交換， 光突發交換， 無源光網路， IP over WDM， 光乙太網， 以及減小高速網路傳輸損傷的技術等。
最後一章（第14章）討論了性能監測。論題包括國際認可的測量標準， 光纖鏈路的基本測試儀錶， 光纖的建模方法， 通過眼圖測量評估鏈路性能。特別要強調的是對WDM鏈路的評估。這一章的新內容包括眼圖模版、 壓力眼圖測試、 誤碼率眼圖輪廓等概念； 另一個新內容是光性能監測， 這已成為光通信網路（特別是與誤碼監測、 網路運行維護和故障管理相關的光通信網路）的基本功能。
本版新增內容
本書第四版和第五版新增內容如下：
● 光纖通信的頻譜劃分；
● 描述了光子晶體光纖， 一種通過內部微結構增加控制纖維中光的又一個維度的光纖；
● 回顧了光纖光纜在包括室內管線到海底鏈路等各種環境中的鋪設方法；
● 描述了用於與光波相互作用， 以便控制、 管理光信號的特種光纖；
● 討論了以各種國際標準， 規範不同類別的光纖的參數， 從而保證工業領域的相容性；
● 舉例說明了商用收發器元件的特性與封裝；
● 舉例說明了商用光纖連接器的特性與封裝；
● 討論了用於無源光網路的高載模式光接收機的特性；
● 擴充了傳輸鏈路的功率代價；
● 擴充了工作於100 Gbps或更高速率的單模光纖鏈路；
● 新增了相干檢測， 相對於直接檢測方式， 相干檢測可以提高譜純度、 提高抗色散性能；
● 新增了用於超過100 Gbps速率傳輸鏈路的數位四相移鍵控（DQPSK）方法；
● 新增了數位差錯檢測和糾錯方法， 包括採用多項式編碼與前向糾錯（FEC）技術；
● 新增了用於無線接入網、 室內環境無線服務、 家庭個域網路連接的光載射頻技術；
● 擴充了用於波分複用的光子器件內容；
● 新增了拉曼光放大器技術， 擴展了摻餌光纖放大器技術；
● 新增了一章（第12章）， 講述光纖中的非線性效應的影響；
● 大大擴展了光網路的內容， 包括高速光鏈路， 光分插複用器， 光交換， WDM網路舉例， IP over WDM， 光乙太網， 用於光纖到駐地（FTTP）的無源光網路應用；
● 修改了性能測試與監測的相關內容， 包括眼圖測試， 光性能監測（OPM）功能， 性能測試功能， 以及包括誤碼率（BER）、 光信噪比（OSNR）、 Q值、 光調製幅度（OMA）和定時抖動在內的性能測試。
本書的使用
本書第五版提供了有關光纖通信技術的理論和應用的基本材料， 可用于高年級或研究生課程。本書還可用作工作參考書， 為從事光纖通信系統相關器件、 傳輸設備、 測試儀錶設計開發和光纜工廠的應用工程師服務。學習本書， 應具有高年級工科學生的理論基礎， 包括電磁場理論、 微積分與微分方程、 光學基礎。本書的正文部分也對光學概念、 電磁理論和半導體物理學基礎等幾方面的主要基礎知識進行了簡明的回顧。許多涉及進一步知識的章節（如麥克斯韋方程組在圓柱介質波導中的應用）用星號標注， 可以跳過而不失連續性。為了幫助讀者學習和設計實踐， 本書提供了160個例題和79個訓練題， 並收集了267道習題， 幫助檢測讀者對本書所覆蓋和延伸內容的理解。授課教師可通過郵箱te_service@phei.com.cn獲得這些習題的解答。
每章的末尾都提供了大量的參考文獻作為深入學習所涉及專題的起點。由於光纖通信將多個科學和工程學科領域的研究與開發力量彙聚在一起， 各章所涉內

目 錄
第1章 光纖通信概述
1.1 光通信的發展動力
1.1.1 光網路的發展歷程
1.1.2 光纖的優點
1.2 光頻譜帶
1.2.1 電磁能量
1.2.2 工作視窗和光頻帶
1.3 分貝單位
1.4 網路資訊速率
1.4.1 電信信號複用
1.4.2 SONET/SDH複用體系
1.5 光通道複用
1.5.1 WDM概述
1.5.2 偏振複用
1.5.3 模分複用
1.5.4 多芯光纖
1.6 光纖通信系統的關鍵元件
1.7 光通信網路的演進
1.8 光纖通信標準
1.9 模擬與建模工具
1.9.1 模擬工具的特徵
1.9.2 圖形程式設計語言
1.9.3 學生使用的程式舉例
1.10 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第2章 光纖：結構、 導波原理和
製造
2.1 光的性質
2.1.1 線偏振
2.1.2 橢圓偏振和圓偏振
2.1.3 光的量子特性
2.2 基本的光學定律和定義
2.2.1 折射率
2.2.2 反射和折射
2.2.3 光的偏振分量
2.2.4 偏振敏感材料
2.3 光纖模式和結構
2.3.1 光纖分類
2.3.2 光纖結構的變化
2.3.3 光射線和模式
2.3.4 階躍折射率光纖結構
2.3.5 射線光學描述
2.3.6 介質平板波導中的波動
描述
2.4 圓波導的模式理論
2.4.1 模式概述
2.4.2 關鍵的模式概念的歸納
2.4.3 麥克斯韋方程組*
2.4.4 波導方程式*
2.4.5 階躍折射率光纖中的波動
方程*
2.4.6 模式方程*
2.4.7 階躍折射率光纖中的
模式*
2.4.8 線偏振模*
2.4.9 階躍折射率光纖中的
光功率流*
2.5 單模光纖
2.5.1 結構
2.5.2 模場直徑
2.5.3 單模光纖中的傳播模
2.5.4 有效折射率
2.6 梯度折射率光纖的結構
2.6.1 纖芯折射率結構
2.6.2 梯度折射率光纖的數值
孔徑
2.6.3 梯度折射率光纖的截止
條件
2.7 光纖材料
2.7.1 玻璃光纖
2.7.2 有源玻璃光纖
2.7.3 塑膠光纖
2.8 光子晶體光纖(PCF)
2.8.1 折射率導引PCF
2.8.2 光子帶隙PCF
2.9 光纖製造
2.9.1 外部汽相氧化法
2.9.2 汽相軸向沉積法
2.9.3 改進的化學汽相沉積法
2.9.4 等離子體啟動化學汽相
沉積法
2.9.5 光子晶體光纖製造
2.10 光纜
2.10.1 光纜結構
2.10.2 室內光纜
2.10.3 室外光纜
2.11 光纜鋪設方法
2.11.1 直埋式鋪設
2.11.2 光纜牽入管道
2.11.3 光纜氣吹鋪設
2.11.4 架空鋪設
2.11.5 海底鋪設
2.11.6 行業鋪設標準
2.12 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第3章 衰減和色散
3.1 衰減
3.1.1 衰減單位
3．1．2 吸收損耗
3.1.3 散射損耗
3．1．4 彎曲損耗
3.1.5 纖芯和包層的損耗
3.2 光纖中的信號畸變
3.2.1 色散概述
3.2.2 模式時延
3．2．3 色散起因
3.2.4 群時延
3.2.5 材料色散
3.2.6 波導色散
3.2.7 單模光纖中的色散
3.2.8 偏振模色散
3.3 單模光纖性能
3.3.1 折射率分佈
3.3.2 截止波長
3.3.3 色散計算
3.3.4 模場直徑
3.3.5 彎曲損耗
3.4 國際標準
3.4.1 G.651.1建議
3.4.2 G.652建議
3.4.3 G.653建議
3.4.4 G.654建議
3.4.5 G.655建議
3.4.6 G.656建議
3.4.7 G.657建議
3.5 特種光纖
3.6 多芯光纖
3.7 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第4章 光源
4.1 半導體物理學基礎
4.1.1 能帶
4.1.2 本征材料和非本征材料
4.1.3 pn結
4.1.4 直接帶隙和間接帶隙
4.1.5 半導體器件的製造
4.2 發光二極體（LED）
4.2.1 LED的結構
4.2.2 光源材料
4.2.3 量子效率和LED的功率
4.2.4 LED的調製
4.3 半導體雷射器
4.3.1 半導體雷射器的模式和
閾值條件
4.3.2 半導體雷射器的速率
方程
4.3.3 外量子效率
4.3.4 諧振頻率
4.3.5 半導體雷射器結構和輻射
場型分佈
4.3.6 單模雷射器
4.3.7 半導體雷射器的調製
4.3.8 雷射器線寬
4.3.9 外調製
4.3.10溫度特性
4.4 光源的線性特性
4.5 發射機封裝
4.6 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第5章 光功率發射和耦合
5.1 光源至光纖的功率發射
5.1.1 光源的輸出分佈
5.1.2 功率耦合計算
5.1.3 發射功率與波長的關係
5.1.4 穩態數值孔徑
5.2 改善耦合的透鏡結構
5.2.1 非成像微球
5.2.2 半導體雷射器與光纖的
耦合
5.3 光纖與光纖的連接
5.3.1 機械對準誤差
5.3.2 光纖相關損耗
5.3.3 光纖端面製備
5.4 LED與單模光纖的耦合
5.5 光纖接頭
5.5.1 連接方法
5.5.2 單模光纖的連接
5.6 光纖連接器
5.6.1 連接器的類型
5.6.2 單模光纖連接器
5.6.3 連接器回波衰減
5.7 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第6章 光檢測器
6.1 光電二極體的物理原理
6.1.1 pin光電二極體
6.1.2 雪崩光電二極體
6.2 光檢測器雜訊
6.2.1 噪音源
6.2.2 信噪比
6.2.3 雜訊等效功率
6.3 檢測器回應時間
6.3.1 耗盡層光電流
6.3.2 回應時間
6.3.3 雙異質結光電二極體
6.4 雪崩倍增雜訊
6.5 InGaAs APD結構
6.6 溫度對雪崩增益的影響
6.7 光檢測器比較
6.8 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第7章 光接收機
7.1 接收機工作的基本原理
7.1.1 數位信號傳輸
7.1.2 誤碼源
7.1.3 前置放大器
7.2 數位接收機性能
7.2.1 誤碼率
7.2.2 接收機靈敏度
7.2.3 量子極限
7.3 眼圖
7.3.1 眼圖的特徵
7.3.2 BER和Q因數測量
7.4 高載模式接收機
7.5 模擬接收機
7.6 總結
習題
習題解答（選）
參考文獻
第8章 數字鏈路
8.1 點到點鏈路
8.1.1 傳輸信號格式
8.1.2 系統考慮
8.1.3 鏈路功率預算
8.1.4 展寬時間預算
8.1.5 短波長帶
8.1.6 單模光纖鏈路的損耗限制
距離
8.2 功率代價
8.2.1 色度色散代價
8.2.2 偏振模色散代價
8.2.3 消光比代價
8.2.4 模式雜訊
8.2.5 模分配雜訊
8.2.6 啁啾
8.2.7 反射雜訊
8.3 差錯控制
8.3.1 誤碼檢測概念
8.3.2 線性檢錯碼
8.3.3 多項式碼
8.3.4 前向糾錯
8.4 相干檢測
8.4.1 基本概念
8.4.2 零差檢測
8.4.3 外差檢測