光纤通信技术(第2版)
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前言

1966年,英籍华人高锟发表了关于通信传输新介质的论文,指出利用玻璃纤维进行信息传输的可能性和技术途径,从而奠定了光纤通信的基础。在此后短短的50多年中,光纤损耗由当时的3000dB/km已经降低到目前的0.151dB/km。在光纤损耗降低的同时,光纤通信用光源、探测器和无源/有源器件,无论是分立元件,还是集成器件都取得了突破性的进展。自20世纪70年代中期以来,光纤通信的发展速度之快令人震惊,可以说没有任何一种通信方式可以与之相比拟,光纤通信已成为所有通信系统的最佳技术选择。

目前,无论电信骨干网还是用户接入网,无论陆地通信网还是海底光缆网,无论看电视还是打电话,光纤无处不在、无时不用,光纤传输随时随地都能碰到。所以,对于从事信息技术的人员来讲,了解光纤通信技术是至关重要的。

近年来,光纤通信已进入了基于WDM+EDFA/Raman光中继放大+偏振复用/相干检测技术的第4代光纤通信时代。目前,100G系统已成熟商用并规模部署,电信运营商和设备厂商正在积极推动400G系统的试验和部署,相关标准化工作也取得了阶段性进展。400G WDM传输技术势必将在下一代高速光纤通信系统中应用。

本书再版除保留了第1版的大部分内容外,也根据光纤通信技术的最新进展,删除了读者熟知、内容陈旧或技术仍不成熟的内容,增加了部分技术成熟、实用的内容,经更新扩容、归纳整理并重新编写。

第1章 光纤通信基础,由原来的“光纤通信概述”修改而来,删除了第1版的“光纤通信优点”,将“平板介质波导”修改为“一维(φ=0)光纤波导”,并放在第2章叙述,更新扩容了“光纤通信技术发展”,增加了“ITU-T光传输网(OTN)的最新进展”。

第2章 光纤和光缆,将光纤传输原理归纳整理为“光线理论分析传输条件——全反射和相干”“光线理论分析光纤模式”“导波理论分析光纤模式”3节,增加了“改变光纤结构、设计不同光纤”“超低损耗光纤选择”和“海底光缆分类及性能”3节。

第3章 光纤通信无源器件,删除了第1版的“棱镜复用/解复用器”“波长转换器”“尼科耳棱镜——一种起偏器”“渥拉斯顿棱镜——一种偏振分束器”“阵列波导光栅滤波器”“可重构光分插复用器”“波长选择交换可重构光分插复用器”7节。将第1版中4.4.3节中的“阵列波导光栅(AWG)工作原理”与本章AWG器件归纳汇总在一起,单独构成3.8节。

第4章 光发射及光调制,重新编写了“波长可调半导体激光器”,删除了第1版的“AWG多频激光器”和“高速光发射机”,增加了“光纤激光器”和“先进的光调制技术”。

第5章 光探测及光接收,重新编写了5.5节,突出了接收机BER、Q参数和SNR。

第6章 光放大器,增加了“光纤拉曼放大器等效开关增益和有效噪声指数”“L波段EDFA及C+L波段应用”和“混合使用拉曼放大和C+L波段EDFA”3节。

第7章 光纤通信系统,删除了第1版中前景不明的光时分复用、光码分复用和光孤子通信系统。增加了已实用化的高速系统关键技术——偏振复用。将第1版中的“高速光纤传输系统”(7.6节)和“光纤传输系统色散补偿和管理”(7.7节)抽出,并入新增加的“第8章 高速光纤通信”。考虑到第8章将对偏振复用相干检测系统进行介绍,所以也删除了第1版中“相干实验系统”。增加了“正交频分复用(OFDM)光纤传输系统——4G、5G移动通信基础”。

第8章 高速光纤通信,这是新增加的1章,其中“前向纠错”是在原有基础上,根据最新标准编写而成;8.7节“系统色散补偿和管理”是在第1版7.7节的基础上,删减归纳整理、并增加了实用化的“光纤色散管理技术”和“光子晶体光纤(PCF)补偿”2节;其余内容,如“数字信号处理(DSP)”“增益均衡”“奈奎斯特脉冲整形及其系统”“100Gbit/s/400Gbit/s超长距离DWDM系统”“射频信号光纤传输(RoF)”和“海底光缆通信系统”均为新增内容。

第9章 光纤通信系统设计,在原第8章基础上,经增删、归纳整理、扩充而成,增加“系统设计概述”“光纤通信系统OSNR和Q参数”“Q参数和OSNR预算”;在光功率预算中,增加“无中继放大系统功率预算”;删除第1版中“带宽设计”和“单信道光纤通信系统设计”2节;增加“光中继/无中继系统技术设计考虑”“光中继间距设计”等内容;汇总、归纳整理功率代价因素;增加G.694.1 DWDM信道中心频率和灵活频栅建议;重新编写“网络管理”。

第10章 无源光网络接入技术,根据2016年颁布的ITU-T G.987.2建议,增加了XG-PON(10Gbit/s PON)的内容。

第11章 光纤通信仪器及测试,增加了“相干光时域反射仪(C-OTDR)”和“系统Q参数测量”2节。

为了适合不同层次读者的使用,本书特地在介绍一个现象或器件的原理前,尽量把一些通俗易懂、日常生活中经常会碰到的现象辅以插图,简单明了地加以说明。例如,对光纤通信发展史、光反射/折射、衍射/干涉、双折射和各种光调制方式,都从直观明了、通俗易懂的角度用图说明。在解释光的干涉现象时,先用看得见、摸得着的两列水波的干涉和一根被夹紧弦线的振动来说明,然后再引出与此类似但抽象的光波干涉。在介绍光纤的各种损耗和受激发射导致光放大时,均用图形象地说明。

为了增加本书的知识性和趣味性,启发读者的创新精神,培养青年读者刻苦求学的精神,本书插入了一些二维码内容,介绍对光学和光电子学做出杰出贡献的科学家们的科学发明过程、励志求学故事,以及知识扩展、深度阅读等内容。

本书技术先进实用,内容浅显易懂、前后连贯,原理上一脉相通,比如在第1章,介绍了平面电磁波,提到“光波在给定时间被一定的距离分开的两点间存在的相位差”这一概念很重要,提醒读者要记住,因为以后经常会用到。果然,后文在介绍马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪构成的滤波器、复用/解复用器和调制器,由AWG构成的波分复用/解复用器、光分插复用器,以及电光效应调制器、热电效应光开关等知识点时,它们的工作原理均用到这一相位差的概念,并使用式(1.2.8)。本书最后给出详尽的名词术语索引,读者在阅读和实际工作中,可以根据需要通过关键字(已给出所在章节的位置)查找到系统设计和工程计算所需要的内容、数据、图表和公式。从某种意义上说,本书就像一本光纤通信技术手册。

对于一般的读者,即使以前没有光纤通信的背景知识,只要从头读起,也能理解本书的内容,使你对光纤通信有所了解,因为本书以通俗化的方式、从概念和基础知识讲起,前后又有连贯性和条理性。对于已具有光纤通信背景知识的读者,根据各自的实际需要通读或挑选其中一些内容阅读。

为了满足教学需要,本书免费提供习题题解和电子课件,有需要的读者可和责任编辑联系。

衷心感谢机械工业出版社李馨馨编辑和秦菲编辑为本书再版所做出的贡献!

因作者水平所限,书中难免存在遗漏或错误之处,敬请读者指正。

原荣