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前言 1

第1章 概论 1

1.1 光通信的发展 1

1.1.1 电通信与光通信的探索 1

1.1.2 国内外光通信的发展现状 2

1.2 光纤通信系统 4

1.2.1 光纤通信系统的基本组成 4

1.2.2 光纤通信的优点 5

1.2.3 基本光纤传输系统 6

1.3 空间光通信系统 8

1.3.1 空间光通信概述 8

1.3.2 空间光通信的定义 9

1.3.3 空间光通信的应用领域 9

1.3.4 空间光通信系统的组成 11

1.4 空间光通信关键技术 12

1.4.1 激光器技术 12

1.4.2 捕获、瞄准、跟踪技术 13

1.4.3 调制、接收技术 13

1.4.4 空间环境（尤其是空间辐射环境）适应性技术 15

1.4.5 小型、轻量、低功耗一体化设计和制造技术 15

1.5 通信链路分析 15

本章小结 16

习题与思考题 16

第2章 通信用光源 18

2.1 光源性能的基本要求与类型 18

2.1.1 光纤通信对光源性能的基本要求 18

2.1.2 一般光源的类型与应用特点 19

2.2 半导体光源 20

2.2.1 半导体光源的发光机理 20

2.2.2 粒子数反转分布 22

2.2.3 激光振荡和光学谐振腔 22

2.3 半导体激光器的工作原理 24

2.3.1 P-N结半导体激光器的结构和原理 24

2.3.2 异质结半导体激光器 25

2.3.3 半导体激光器的发光波长 26

2.4 半导体激光器工作特性 26

2.5 其他激光器 28

2.5.1 分布反馈式激光器 28

2.5.2 量子阱激光器 29

2.5.3 光纤锁模激光器 30

2.5.4 垂直腔面发射激光器 30

2.6 发光二极管 31

2.7 光源与光纤的耦合 32

2.8 半导体光源在系统中的应用 34

本章小结 34

习题与思考题 35

第3章 光通信信道 36

3.1 光纤的结构与类型 36

3.1.1 光纤的结构 37

3.1.2 光纤的分类 37

3.2 光在光纤中的传输 40

3.2.1 几何光学的光纤传输 40

3.2.2 光波动理论的传输方程 42

3.3 光纤传输的基本特性 43

3.3.1 光纤损耗 43

3.3.2 光纤色散 45

3.3.3 光纤的非线性 48

3.3.4 非线性折射率波动效应与非线性受激散射 48

3.3.5 光纤标准与在系统中的应用 50

3.4 光缆 53

3.4.1 常用光缆的典型结构 54

3.4.2 光缆的制造与分类 55

3.5 光纤特性的测量 55

3.5.1 单模光纤模场直径的测量 56

3.5.2 光纤损耗的测量 56

3.5.3 光纤色散与宽带的测量 57

3.6 大气吸收和散射对空间光通信的影响 59

3.6.1 大气吸收 59

3.6.2 散射 59

3.6.3 能见度、透明度和大气透过率的关系 62

3.6.4 空间光通信激光光谱透过率计算 63

3.7 大气湍流对光通信的影响 66

3.7.1 大气湍流基础理论 67

3.7.2 激光在湍流中的传输 69

3.7.3 飞机与地面问激光通信激光湍流数值仿真 70

3.8 云层影响 73

3.9 气动光学效应 74

3.9.1 气动光学基础 74

3.9.2 机载光通信附面层影响的分析 80

3.10 海水光学信道 83

3.10.1 海水的光学性质 83

3.10.2 散射和吸收 83

3.10.3 海水信道的能量传输模型 84

3.10.4 海水中脉冲信号的时间扩展 85

本章小结 85

习题与思考题 86

第4章 光检测器与光放大器 88

4.1 光检测器的工作机理与类型 88

4.1.1 光敏二极管 88

4.1.2 PIN光敏二极管 89

4.1.3 雪崩光敏二极管 89

4.1.4 光电检测器的特性 89

4.2 光放大器的分类与指标 92

4.2.1 光放大器的分类 92

4.2.2 光放大器的重要指标 93

4.3 掺铒光纤放大器 94

4.3.1 工作原理 94

4.3.2 掺铒光纤放大器的构成和特性 95

4.3.3 掺铒光纤放大器的泵浦方式 97

4.3.4 掺铒光纤放大器的优点 99

4.3.5 掺铒光纤放大器的应用 99

4.4 宽带掺铒光纤放大器的最新进展 100

4.4.1 增益移位掺铒光纤放大器 101

4.4.2 铒镱共掺光纤放大器 102

4.4.3 多段级联掺铒光纤放大器 103

4.5 掺镨光纤放大器 104

4.5.1 掺镨光纤放大器的放大原理 104

4.5.2 掺镨光纤放大器的结构 105

4.6 半导体光放大器 106

4.7 拉曼光纤放大器 107

4.7.1 光纤的受激拉曼散射及其应用 108

4.7.2 拉曼光纤放大器的放大机理 108

4.7.3 拉曼光纤放大器的结构及特点 109

4.7.4 拉曼光纤放大器的优点与缺点 109

4.7.5 拉曼光纤放大器的应用 110

本章小结 111

习题与思考题 111

第5章 光学网络器件 112

5.1 光纤连接器和接头 112

5.1.1 光纤连接器 112

5.1.2 接头 114

5.2 光耦合器 114

5.2.1 耦合器类型 115

5.2.2 基本结构 115

5.2.3 主要特性 116

5.3 光隔离器和光环行器 117

5.3.1 光隔离器 117

5.3.2 光环形器 119

5.4 光调制器 119

5.5 光开关 120

5.6 光滤波器 122

5.6.1 法布里-珀罗滤波器 122

5.6.2 马赫-曾德干涉滤波器 123

5.6.3 阵列波导光栅 123

5.6.4 光纤光栅滤波器 124

5.7 波长变换器 125

5.7.1 全光波长变换简介 125

5.7.2 SOA型全光波长变换 126

5.7.3 半导体激光器型全光波长变换 131

5.7.4 光纤光栅外腔波长变换器 132

本章小结 134

习题与思考题 135

第6章 光纤通信系统 136

6.1 光纤通信常用线路编码 136

6.1.1 扰码 136

6.1.2 分组码——mBnB码 137

6.1.3 插入码 139

6.2 模拟光纤通信系统 140

6.2.1 调制方式 140

6.2.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统 142

6.2.3 副载波复用光纤传输系统 144

6.3 数字光纤通信系统 150

6.3.1 准同步数字分级结构 150

6.3.2 同步数字分级结构 152

6.3.3 系统的性能指标和可靠性 158

6.3.4 系统的总体考虑与设计 164

6.3.5 系统的色散补偿技术 168

6.3.6 中继距离和传输速率 169

本章小结 170

习题与思考题 171

第7章 光通信新技术 172

7.1 光时分复用技术 172

7.2 光波分复用技术 173

7.2.1 WDM工作原理 173

7.2.2 WDM系统的基本结构 174

7.2.3 WDM系统的主要特点 175

7.2.4 WDM光网络 175

7.3 光交换技术 177

7.3.1 空分光交换 178

7.3.2 时分光交换 178

7.3.3 波分光交换 178

7.3.4 波长交换 179

7.4 光孤子通信 180

7.4.1 孤子的形成 180

7.4.2 光孤子通信系统 180

7.5 光接入网 181

7.5.1 光接入网概述 181

7.5.2 无源光网络 182

7.5.3 光纤混合网 185

本章小结 187

习题与思考题 188

第8章 光通信仿真 189

8.1 仿真与建模 189

8.2 光纤通信系统的仿真 190

8.2.1 光纤通信系统仿真软件的现状 190

8.2.2 系统主要模块的数学模型 191

8.2.3 发射系统模型 191

8.2.4 光纤传输模型 192

8.2.5 光接收机模型 192

8.2.6 掺铒光纤放大器的模型 194

8.3 光纤通信系统仿真实验 194

8.3.1 系统级仿真 194

8.3.2 10Gbit／s普通单模光纤传输80km的仿真 195

本章小结 195

第9章 空间光通信的捕获、对准、跟踪 196

9.1 ATP系统中的捕获技术 197

9.1.1 捕获过程 198

9.1.2 捕获方式 199

9.1.3 扫描方式 200

9.1.4 捕获概率分析 201

9.2 ATP系统中的跟踪技术 202

9.2.1 跟踪探测器的等效噪声角（NEA） 202

9.2.2 瞄准误差与系统突发概率的关系 203

本章小结 203

习题与思考题 204

第10章 空间光通信的光学系统 205

10.1 激光器 205

10.2 探测器 206

10.3 激光通信的波长选择 207

10.4 回转结构及方式 208

10.4.1 回转反射镜方式 208

10.4.2 回转望远镜 209

10.4.3 回转组件方式 209

10.5 分光方式 209

10.6 望远镜结构形式 212

10.7 材料选择 214

10.7.1 反射镜材料 214

10.7.2 透镜材料 215

本章小结 215

习题与思考题 216

参考文献 217