光纤通信系统（第四版）

本书是光纤通信方面的一本经典巨著，在国内外享有盛誉。全书共计13章，主要内容包括：光纤通信概述；光纤通信系统的主要组成部分——光纤、光发射机和光接收机；单信道和多信道光纤通信系统的设计；光纤的损耗管理、色散管理和非线性管理技术；先进光波系统；全光信号处理。全书内容系统全面，理论体系严谨，讲解深入浅出，理论与实践结合紧密，同时非常注重近年来光纤通信中出现的新技术。

Govind P. Agrawal 美国罗切斯特大学光学与物理学教授，激光力能学实验室高级科学家，世界光电子和光通信领域的著名学者，在激光物理、非线性光学和光纤通信领域著作颇丰。并且他是OSA会士和IEEE会士。

目录第1章绪论1.1历史回顾1.1.1光纤通信的需求1.1.2光波系统的演进1.2基本概念1.2.1模拟信号和数字信号1.2.2信道复用1.2.3调制格式1.3光通信系统1.4光波系统组成1.4.1作为通信通道的光纤1.4.2光发射机1.4.3光接收机习题参考文献第2章光纤2.1几何光学描述2.1.1阶跃折射率光纤2.1.2渐变折射率光纤2.2波的传输2.2.1麦克斯韦方程组2.2.2光纤模式2.2.3单模光纤2.3单模光纤中的色散2.3.1群速度色散2.3.2材料色散2.3.3波导色散2.3.4高阶色散2.3.5偏振模色散2.4色散引起的限制2.4.1基本传输方程2.4.2啁啾高斯脉冲2.4.3对比特率的限制2.4.4光纤带宽2.5光纤损耗2.5.1衰减系数2.5.2材料吸收2.5.3瑞利散射2.5.4波导缺陷2.6非线性光学效应2.6.1受激光散射2.6.2非线性相位调制2.6.3四波混频2.7光纤设计和制造2.7.1石英光纤2.7.2塑料光纤2.7.3光缆和连接器习题参考文献第3章光发射机3.1半导体激光器物理3.1.1自发辐射和受激辐射3.1.2非辐射复合3.1.3光增益3.1.4反馈和激光器阈值3.1.5纵模3.1.6激光器结构3.2单模半导体激光器3.2.1分布反馈激光器3.2.2耦合腔半导体激光器3.2.3可调谐半导体激光器3.2.4垂直腔面发射激光器3.3激光器的工作特性3.3.1连续工作特性3.3.2调制带宽3.3.3相对强度噪声3.3.4频谱线宽3.4光信号产生3.4.1直接调制3.4.2外调制3.5发光二极管3.5.1连续工作特性3.5.2调制响应3.5.3发光二极管的结构3.6光发射机的设计3.6.1光源与光纤的耦合3.6.2驱动电路3.6.3可靠性和封装习题参考文献第4章光接收机4.1基本概念4.1.1响应度和量子效率4.1.2上升时间和带宽4.2常用的光电探测器4.2.1pn光电二极管4.2.2pin光电二极管4.2.3雪崩光电二极管4.2.4MSM光电探测器4.3光接收机的设计4.3.1前端4.3.2线性通道4.3.3判决电路4.3.4集成光接收机4.4光接收机噪声4.4.1噪声机制4.4.2pin光接收机4.4.3APD光接收机4.5相干探测4.5.1本机振荡器4.5.2零差探测4.5.3外差探测4.5.4信噪比4.6光接收机灵敏度4.6.1误码率4.6.2小接收光功率4.6.3光电探测的量子极限4.7灵敏度劣化4.7.1消光比4.7.2强度噪声4.7.3定时抖动4.8光接收机的性能习题参考文献第5章光波系统5.1系统结构5.1.1点对点链路5.1.2分配网5.1.3局域网5.2设计指南5.2.1损耗限制光波系统5.2.2色散限制光波系统5.2.3功率预算5.2.4上升时间预算5.3长途光波系统5.3.1性能限制因素5.3.2陆地光波系统5.3.3海底光波系统5.4功率代价的来源5.4.1模式噪声5.4.2模分配噪声5.4.3反射反馈和噪声5.4.4色散脉冲展宽5.4.5频率啁啾5.4.6眼图闭合度代价5.5前向纠错5.5.1纠错码5.5.2编码增益5.6计算机辅助设计习题参考文献第6章多信道系统6.1WDM光波系统6.1.1大容量点对点链路6.1.2广域网与城域网6.1.3多址WDM网络6.2WDM器件6.2.1可调谐光滤波器6.2.2复用器和解复用器6.2.3分插复用器和滤波器6.2.4星形耦合器6.2.5波长路由器6.2.6WDM光发射机和光接收机6.3系统性能问题6.3.1不同波长线性串扰6.3.2相同波长线性串扰6.3.3非线性拉曼串扰6.3.4受激布里渊散射6.3.5交叉相位调制6.3.6四波混频6.3.7其他设计问题6.4时分复用6.4.1信道复用6.4.2信道解复用6.4.3系统性能6.5副载波复用6.5.1模拟和数字副载波复用系统6.5.2多波长副载波复用系统6.5.3正交频分复用6.6码分复用6.6.1时域编码6.6.2频域编码6.6.3跳频习题参考文献第7章损耗管理7.1光纤损耗的补偿7.1.1周期放大方案7.1.2集总放大和分布放大7.1.3双向泵浦方案7.2掺铒光纤放大器7.2.1泵浦和增益谱7.2.2二能级模型7.2.3放大器噪声7.2.4多信道应用7.3拉曼放大器7.3.1拉曼增益和带宽7.3.2拉曼引起的信号增益7.3.3多泵浦拉曼放大7.3.4拉曼放大器的噪声指数7.4光信噪比7.4.1集总放大7.4.2分布放大7.5电信噪比7.5.1放大自发辐射引起的电流起伏7.5.2放大自发辐射对信噪比的影响7.5.3放大器链中噪声的形成7.6接收机灵敏度和Q因子7.6.1误码率7.6.2Q因子和光信噪比的关系7.7色散和非线性效应的作用7.7.1通过调制不稳定性的噪声增长7.7.2噪声引起的信号劣化7.7.3噪声引起的能量起伏7.7.4噪声引起的定时抖动7.8周期放大光波系统7.8.1数值方法7.8.2输入功率习题参考文献第8章色散管理8.1色散问题及其解决方案8.2色散补偿光纤8.2.1色散补偿条件8.2.2色散图8.2.3色散补偿光纤的设计8.3光纤布拉格光栅8.3.1常周期光栅8.3.2啁啾光纤光栅8.3.3采样光栅8.4色散均衡滤波器8.4.1GiresTournois滤波器8.4.2马赫曾德尔滤波器8.4.3其他全通滤波器8.5光学相位共轭8.5.1工作原理8.5.2自相位调制的补偿8.5.3相位共轭信号的产生8.6高比特率信道8.6.1可调谐色散补偿8.6.2高阶色散管理8.6.3偏振模色散补偿8.7电色散补偿8.7.1群速度色散预补偿的基本思想8.7.2发射机处的预补偿8.7.3接收机处的色散补偿习题参考文献第9章非线性效应的控制9.1光纤非线性的影响9.1.1系统设计问题9.1.2半解析方法9.1.3孤子区域和伪线性区域9.2光纤中的孤子9.2.1光孤子的特性9.2.2损耗管理孤子9.3色散管理孤子9.3.1色散渐减光纤9.3.2周期色散图9.3.3设计问题9.3.4定时抖动9.3.5定时抖动的控制9.4伪线性光波系统9.4.1信道内非线性效应9.4.2信道内交叉相位调制9.4.3信道内四波混频9.5信道内非线性效应的控制9.5.1色散图的优化9.5.2相位交替技术9.5.3偏振比特交替习题参考文献第10章先进光波系统10.1光进调制格式10.1.1光信号的编码10.1.2振幅和相位调制器10.2解调方案10.2.1同步外差解调10.2.2异步外差解调10.2.3光延迟解调10.3散弹噪声和误码率10.3.1同步外差接收机10.3.2异步外差接收机10.3.3带有延迟解调的接收机10.4灵敏度劣化机制10.4.1激光器的强度噪声10.4.2激光器的相位噪声10.4.3信号偏振起伏10.4.4光放大器加入的噪声10.4.5光纤色散10.5非线性效应的影响10.5.1非线性相位噪声10.5.2光纤色散效应10.5.3非线性相位噪声的补偿10.6进展10.6.1采用DBPSK格式的系统10.6.2采用DQPSK格式的系统10.6.3采用QAM和相关格式的系统10.6.4采用正交频分复用的系统10.7极限信道容量习题参考文献第11章光学信号处理11.1非线性技术和器件11.1.1非线性光纤环形镜11.1.2参量放大器11.1.3半导体光放大器中的非线性效应11.1.4双稳光器件11.2全光触发器11.2.1半导体激光器和半导体光放大器11.2.2耦合半导体激光器和半导体光放大器11.3波长转换器11.3.1基于交叉相位调制的波长转换器11.3.2基于四波混频的波长转换器11.3.3无源半导体波导11.3.4基于半导体光放大器的波长转换器11.4超快光交换11.4.1时域解复用11.4.2数据格式转换11.4.3包交换11.5光再生器11.5.1基于光纤的2R再生器11.5.2基于半导体光放大器的2R再生器11.5.3基于光纤的3R再生器11.5.4基于半导体光放大器的3R再生器11.5.5相位编码信号的再生习题参考文献附录A 单位系统附录B 缩写词附录C 脉冲展宽的一般公式附录D 软件包 中英文术语对照

译者序自从1966年英籍华人高锟提出光纤通信的概念以来， 在此后的半个世纪里， 光纤通信获得了突飞猛进的发展。光纤通信以其独特的优越性， 已经成为现代通信发展的主流方向， 是当今信息社会的基石。随着包括移动互联网、 大数据、 物联网等新一代业务和应用的不断推进， 对光纤通信技术的要求也不断提高， 光纤通信也势必将迎来又一个发展高峰。因此， 无论是对于高等院校通信工程、 电子信息工程、 光电信息工程、 电子科学与技术及相关专业的高年级本科生和研究生而言， 还是对于从事信息技术的科研人员而言， 了解光纤通信的基础知识是至关重要的。 美国罗切斯特大学Govind P.Agrawal教授的著作FiberOptic Communication Systems是一本系统介绍光纤通信的基本理论、 技术和发展前沿的巨著， 在国内外享有盛誉， 包括哈佛大学、 斯坦福大学、 加州理工学院、 罗切斯特大学、 南安普敦大学在内的世界上许多著名大学都采用该书作为光纤通信课程的教材。同时， 该书在光纤通信文献中的引用率也相当高， 这从一个侧面说明了该书的权威性和经典性。Govind P.Agrawal教授作为世界光纤通信领域的著名学者， 从1989年就开始在罗切斯特大学光学研究所讲授光纤通信课程， 并长期从事该领域和相关领域的研究工作， 本书正是作者多年教学和科研工作的结晶。该书于1992年问世， 再版于1997年， 2002年推出了第三版， 2010年推出了目前的第四版， 被行业人士誉为大师之作。与上一版相比， 第四版新增了两章内容， 全书主要内容包括： 光纤通信概述； 光纤通信系统的主要组成部分——光纤、 光发射机和光接收机； 单信道和多信道光纤通信系统的设计； 光纤的损耗管理、 色散管理和非线性管理技术； 先进光波系统； 全光信号处理。纵览全书， 其内容系统全面， 理论体系严谨， 讲解深入浅出， 理论与实践结合紧密， 同时非常注重近年来光纤通信中出现的新技术， 是一本不可多得的优秀教材， 也是一本很有价值的参考书。我们认为很有必要将这本光纤通信领域的经典名著介绍给中文读者。本书的翻译工作由天津大学的贾东方和北京邮电大学的忻向军共同完成。在本书的翻译过程中， 对原书中明显的错误进行了一些更正。感谢Govind P. Agrawal教授对中文译书出版方面给予的合作。感谢电子工业出版社对翻译工作的大力支持， 特别要衷心感谢本书的策划编辑马岚女士和责任编辑李秦华先生， 正是他们的严谨细致和辛勤付出， 本书才得以顺利出版。由于译者学识所限， 疏漏乃至错误在所难免， 恳请广大读者及专家不吝赐教， 提出修改意见， 我们将不胜感激。ForwardIt is with pleasure that I write this forward for the Chinese translation of the fourth edition of my book FiberOptic Communication Systems published in 2010 by Wiley. This book has expanded considerably from its third edition because of the recent adoption of phasemodulation techniques together with the use of digital processing at optical receivers. In addition to additions and updates in all chapters, the fourth edition contains two new chapters entitled Advanced Lightwave Systems and Optical Signal Processing.The Optiwave Corporation provides a stateoftheart software package suitable for designing modern lightwave systems. It is my hope that the software package will help to train the students and will prepare them better for an industrial job.The Optical Communication Group of Tianjin University is to be commended for undertaking this project and finishing it in a timely fashion. The same group translated my two books on Nonlinear Fiber Optics and published a combined Chinese edition of them in 2010. I am very pleased with the quality of that translation and am confident that the translation of my book on FiberOptic Communication Systems will preserve the quality and will be liked by everyone.I visited several universities in Beijing and Chengdu during my China trip in 2007. I learned during that trip that previous Chinese editions of my books have been well received by both the Chinese scientists and students. Both my wife and I enjoyed our 2007 visit so much that we are looking forward to visiting China in the near future.I am pleased that my work is available to a wide audience in China, and I thank the translators and the Chinese publisher, Publishing House of Electronics Industry (PHEI), for making this possible. Thanks are also due to the U.S. Publisher, John Wiley ＆ Sons, for granting the permission for this translation. Govind P. Agrawal Rochester, New York, USA March 2014前言自从本书于1992年首次出版以来， 尽管初版和第四版之间只有相对短的18年时间， 但光纤通信系统的研究已经取得突飞猛进的发展。1992年， 商用光纤链路的容量只有2.5 Gbps； 仅仅四年后， 随着波分复用（WDM）技术的出现， 总容量为40 Gbps的系统已经能商用。2001年， 商用WDM系统的容量超过了1.6 Tbps。与此同时， 全世界部署的跨洋光波系统的容量也呈爆炸式增长。2001年， 计划全球网络以2.5 Tbps的容量（64个WDM信道， 单信道10 Gbps， 4个光纤对）覆盖250000 km； 2004年， 实现了这个宏伟计划， 系统开始商业运营（目前， 这个系统是由一家印度电信公司VSNL运营的）。尽管在2001年以后的几年内， 随着所谓的“通信泡沫”的破裂， 光纤通信发展的脚步慢了下来， 但在光波系统的设计上仍取得了进展。特别是在2006年以后， 随着基于相位的调制格式、 100 Gbps以太网和正交频分复用技术的出现， 光纤通信又开始加速发展。自从本书的第三版于2002年出版以来， 已广泛受到从事光波技术的科学机构和教育机构的欢迎， 世界上很多大学将它作为教科书。因为在过去8年中， 光纤通信系统又得到了迅猛的发展， 出版商和我都认为， 如果想要本书能继续提供关于光纤通信系统一个全面的和的报告， 有必要推出第四版； 结果就在你的手中。本版本的主要目的仍和原先几个版本的一样， 具体地说， 它应能同时作为教科书和参考书。基于这个原因， 本书强调了对物理概念和物理规律的理解， 但对工程方面的讨论也贯穿始终。为使本书涵盖