具体描述
基本信息
书名：光纤通信概论
定价：35.00元
作者：胡先志
出版社：人民邮电出版社
出版日期：2012-05-01
ISBN：9787115276124
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.381kg
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《光纤通信概论》由胡先志、刘一编著，本书的内容阐述采用由“点”、“线”到“面”，从简到繁的叙述原则。首先介绍光纤通信基础知识，接着叙述光纤结构与光波理论，其次描述有源光器件，然后介绍传输系统的特点和设计，再之后叙述组网光器件，*后阐述光网络的分类方法、工作特点和应用实例。读者通过本书的学习，应该获得真实的感悟，光纤的品种更新、光器件功能增多、系统设备的多样化、光网络结构细化和控制的智能化，彼此依靠，取长补短，共同推动光纤通信技术的发展。
内容提要
《光纤通信概论》由胡先志、刘一编著，系统、全面地阐述光纤通信系统所涉及的光波导理论、光纤、光缆、有源光器件、光纤通信系统、组网光器件、波分复用传输系统、光网络等。全书共分8章，读者可以循序渐进地学习完整的光纤通信及光网络的相关技术。本书内容新颖，书中所阐述的光纤、光缆、光器件、光纤通信系统、光网络等内容都取材于国内外的*研究成果；实用性强，书中在叙述光纤通信的基本概念、基本原理和关键技术的同时，列举了一些通信系统和光网络应用实例，以彰显理论与实际相结合的特色。《光纤通信概论》可作为通信工程、电子信息工程、应用电子技术、光信息科学与技术等专业的教材，也可作为光纤通信领域中的科研人员、工程技术人员和管理人员的实用性技术参考书。
目录
作者介绍
文摘
序言
光纤通信前沿技术与系统集成 （一）引言 信息时代日新月异，对通信带宽和传输速率的需求呈爆炸式增长。光纤通信作为现代信息社会的核心基础设施，其技术发展和系统演进是支撑经济社会发展的关键。本书聚焦于光纤通信领域的最新技术动态、前沿研究方向以及系统集成的前景，旨在为相关领域的科研人员、工程师、高等院校师生以及对光纤通信感兴趣的读者提供一个全面、深入的视角，了解当前光纤通信的技术现状，并展望未来的发展趋势。本书不涉及《光纤通信概论》这一特定教材的具体内容，而是着力于探讨更广阔、更前沿的光纤通信知识体系。 （二）光信号传输的核心挑战与突破 光信号在光纤中传输时，面临着多种损耗和失真，严重影响传输质量和距离。理解并克服这些挑战是光纤通信技术进步的基石。 1. 损耗的机理与抑制： 吸收损耗： 光在光纤材料中传播时，材料分子会吸收一部分光能，将其转化为热能。主要由材料本征吸收（如紫外吸收、红外吸收）和杂质吸收（如金属离子、OH-离子）引起。为了降低吸收损耗，需要采用高纯度的石英玻璃作为光纤基质材料，并严格控制生产过程中的杂质含量。 散射损耗： 由于光纤材料内部的折射率不均匀性（微小的密度起伏和组成变化），会导致光信号向各个方向散射。瑞利散射是主要的散射机制，其强度与光波长的四次方成反比，因此使用长波长的光（如1550nm）可以显著降低瑞利散射损耗。此外，米氏散射是由大于光波长的结构不规则性引起，相对较少。 弯曲损耗： 光纤在弯曲时，沿着弯曲外侧的光线传播路径会变长，能量容易泄露到光纤包层，导致损耗增加。宏弯损耗（大半径弯曲）和微弯损耗（小半径或不规则的弯曲）是两种主要形式。通过优化光纤结构设计（如增加纤芯直径、调整折射率分布）和改进光纤制造工艺，可以提高光纤的抗弯曲性能。 耦合损耗： 光源与光纤、光纤与光器件之间在进行光信号耦合时，由于模式不匹配、轴不对准、端面反射等原因产生的能量损失。精确的对准技术、高效的耦合器件设计以及使用抗反射涂层是减少耦合损耗的关键。 2. 色散的机理与补偿： 模内色散（Chromatic Dispersion, CD）： 由于光信号包含不同波长的光，而不同波长的光在光纤中的传播速度不同，导致信号脉冲展宽。 材料色散（Material Dispersion）： 是由光纤材料的折射率随波长变化引起的。 波导色散（Waveguide Dispersion）： 是由光纤的波导结构（纤芯和包层的几何形状和折射率分布）引起的。 偏振模色散（Polarization Mode Dispersion, PMD）： 是由于光纤内部或外部的不均匀性导致不同偏振态的光在光纤中的传播速度不同，从而引起信号展宽。 色散补偿技术： 色散补偿光纤（Dispersion Compensating Fiber, DCF）： 采用具有较大负的色散斜率的光纤，将其插入传输链路中，以抵消正的色散。 光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）： 通过在光纤中周期性地改变折射率，形成一个光学滤波器，能够选择性地反射特定波长的光，并引入相反的色散。 啁啾光栅（Chirped Fiber Grating）： 进一步优化了FBG的色散补偿特性。 电子色散补偿（Electronic Dispersion Compensation, EDC）： 在接收端利用数字信号处理技术，通过算法来补偿由色散引起的信号失真，尤其适用于高速率、长距离传输。 3. 非线性效应的挑战： 受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）： 高强度光信号会激发光纤材料中的分子振动，将部分光能量传递给其他波长。 受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）： 光信号与光纤声学声子相互作用，将光能量散射到较低频率，并产生强烈的反射。SBS在高功率传输中尤其显著。 自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM）： 光信号的强度变化引起光纤折射率的变化，进而导致信号相位发生自调制，引起光谱展宽。 交叉相位调制（Cross-Phase Modulation, XPM）： 不同信道的光信号相互影响，一个信道的强度变化引起另一个信道相位变化。 四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）： 两个或多个不同频率的光波在非线性介质中相互作用，产生新的频率成分。在密集波分复用（DWDM）系统中，FWM会产生干扰信号，导致信道串扰。 非线性效应的抑制： 降低光功率密度： 采用更大芯径的光纤，减少单位面积上的光功率。 优化信道间隔： 在DWDM系统中，通过合理设置信道间隔，可以降低FWM的产生。 使用掺铒光纤放大器（EDFA）的优化设计： 尽量减小EDFA的增益平坦度，避免产生不均匀的光谱。 电信号处理： 在接收端，通过ADC和DSP技术，可以部分补偿由非线性效应引起的信号畸变。 （三）先进光纤技术的发展 为了满足不断增长的带宽需求，新型光纤结构和材料不断涌现。 1. 多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）： 原理： 在一根光纤中集成多根独立的纤芯，通过增加空间维度来提升传输容量。 类型： 空间分离多芯光纤、模式分离多芯光纤（利用纤芯之间的模式耦合差异）。 优势： 在保持现有光纤基础设施基本兼容的情况下，大幅提高单根光纤的传输容量，降低布线成本和空间占用。 挑战： 模式串扰、多芯之间的耦合、光器件的适配性、光纤制造的精度要求。 2. 少模光纤（Few-Mode Fiber, FMF）： 原理： 通过精确控制光纤的折射率分布，使光纤能够支持有限数量的模式（如LP01、LP11、LP21等）在同一纤芯中传播。 优势： 结合了单模光纤的损耗低和多模光纤的容量高的优点，是实现空分复用（SDM）的一种有效方式。 挑战： 模式之间串扰的抑制、模式选择性耦合、模式分离器件的开发。 3. 空分复用（Space Division Multiplexing, SDM）技术： 概念： 利用光纤的空间维度，同时传输多个独立的光信号，以提升总传输容量。SDM可以与波分复用（WDM）和偏振复用（PDM）等技术结合，实现超大容量传输。 实现方式： 基于多芯光纤（MCF-SDM）和少模光纤（FMF-SDM）。 系统集成： 需要开发能够对进入光纤的信号进行空间多路复用（打散）、在传输后进行空间解复用（分离）的光学器件，以及能够处理多路信号的光源和探测器。 4. 新型光纤材料与结构： 大有效面积光纤（Large Effective Area Fiber, LEAF）： 旨在减小非线性效应的影响，适用于高功率传输。 特殊折射率分布光纤： 如阶跃型、渐变型、平顶型、V型槽型等，用于优化色散特性、模式控制或特定应用。 塑料光纤（Plastic Optical Fiber, POF）： 具有柔韧性好、易于安装、成本低等优点，适用于短距离、低速通信，如汽车电子、工业控制等领域。 （四）光传输系统的关键器件与技术 光信号的产生、调制、放大、解调和检测是光纤传输系统的核心环节，先进器件和技术的进步直接推动了传输性能的提升。 1. 光源技术： 激光器（Laser Diode, LD）： DFB（Distributed Feedback）激光器： 窄线宽、高稳定性，常用于DWDM系统。 VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）激光器： 易于集成、低成本，适用于短距离、低速通信。 可调谐激光器（Tunable Laser）： 能够在一定范围内改变输出波长，极大地提高了DWDM系统的灵活性。 光电探测器（Photodetector）： PIN光电二极管： 线性响应好，带宽宽。 雪崩光电二极管（APD）： 具有内增益，灵敏度高。 相干探测器： 在相干光通信系统中，需要与本地振荡激光器进行混频，以解调信号的幅度、相位或频率信息。 2. 调制与解调技术： 强度调制/直接检测（IM/DD）： 最基本的调制方式，通过改变光功率来表示信息。 相干光通信（Coherent Optical Communication）： 通过调制光载波的幅度、相位或频率来携带信息，并采用相干接收技术，可以极大地提高频谱效率和传输距离。 QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）： 四相相移键控。 16QAM（Quadrature Amplitude Modulation）： 十六种幅度和相位组合。 64QAM、256QAM等： 更高阶的QAM调制，能够提高频谱效率，但对信噪比和线性度要求更高。 高阶调制格式（Advanced Modulation Formats）： 如PAM4（Pulse Amplitude Modulation-4），通过四种不同的幅度电平来表示信息，在短距离、高带宽应用（如数据中心互连）中越来越重要。 数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）： 在相干光通信中，DSP起着至关重要的作用，用于补偿色散、非线性效应、PMD，并对接收到的信号进行解码。 3. 光放大器（Optical Amplifier）： 掺铒光纤放大器（EDFA）： 目前最成熟、应用最广泛的光放大器，能够对1550nm波段的光信号进行高效放大。 拉曼放大器（Raman Amplifier）： 利用受激拉曼散射效应进行放大，具有增益可调、增益平坦度高等优点，可与EDFA混合使用。 半导体光放大器（SOA）： 具有体积小、易于集成、工作波段宽等特点，但增益饱和效应和噪声系数相对较高。 大功率光纤放大器： 用于提升光信号的传输功率，以克服传输损耗。 4. 光开关与复用/解复用器： 波分复用器（WDM Multiplexer）/解复用器（Demultiplexer）： 将不同波长的光信号合成为一路或将一路混合光信号分离成不同波长的光信号。 光栅型复用/解复用器（AWG）： 基于干涉原理，具有高通道数、低串扰的特点。 可调谐光滤波器： 用于精确选择特定波长的光信号。 光开关（Optical Switch）： 用于实现光路的切换和调度，提高网络灵活性。 （五）下一代光网络架构与前瞻 随着技术的发展，光纤通信网络正朝着更智能、更灵活、更高容量的方向演进。 1. 软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）在光网络中的应用： SDN： 将网络的控制平面与数据平面分离，通过集中式的控制器实现对网络的统一管理和灵活调度。 NFV： 将网络功能（如路由、防火墙、负载均衡等）从专用的硬件设备中解放出来，以软件的形式运行在通用服务器上，提高网络部署的灵活性和效率。 协同效应： SDN与NFV的结合，能够实现光网络的智能化、自动化配置和动态资源分配，满足不同业务对网络资源的需求。 2. 超大容量传输： C+L波段扩展： 在传统的C波段（1530-1565nm）基础上，扩展到L波段（1570-1610nm），甚至更宽的波段，以增加传输信道的数量。 空分复用（SDM）与WDM/PDM的融合： 实现多维度复用，突破单根光纤容量的极限。 超高阶调制格式： 进一步提高频谱效率。 3. 智能光网络： 光网络可视化与分析： 实时监控网络状态，预测潜在故障，提供故障诊断和定位能力。 自动化资源调度与重构： 根据业务需求动态调整网络资源，优化网络性能。 人工智能（AI）与机器学习（ML）的应用： 用于网络优化、故障预测、安全防护等。 4. 面向特定应用的光网络： 数据中心互连（Data Center Interconnect, DCI）： 满足数据中心之间高速、低延迟的互联需求，可能采用PAM4等调制格式和短距离、高密度光模块。 5G/6G前传、中回传网络： 对光纤带宽、低时延、低抖动提出更高要求。 面向物联网（IoT）和边缘计算的光网络： 需要支持大规模连接和分布式处理。 （六）结论 光纤通信技术正处于一个飞速发展的时代，新的理论、新的器件、新的系统不断涌现，为构建下一代信息基础设施奠定了坚实的基础。从对光损耗、色散和非线性效应的精细控制，到多芯光纤、少模光纤等新型光纤技术的探索，再到相干光通信、SDN/NFV等先进系统技术的应用，每一个进步都极大地拓展了光纤通信的能力边界。本书对这些前沿技术和系统集成进行了较为详细的探讨，希望能够激发读者对光纤通信领域的深入研究兴趣，为未来的技术突破和产业发展贡献力量。未来的光通信将是更加智能、高效、灵活和强大的，它将继续作为信息社会发展的强大引擎，驱动人类社会迈向更美好的未来。
