光纤通信与空间光通信技术

上篇 光纤通信技术
第1章 引言 3
1.1 光纤通信系统的优点 3
1.2 光纤通信系统的基本组成 5
第2章 光源与光发射机 8
2.1 激光的发光原理 8
2.1.1 原子的能级结构 8
2.1.2 光与物质的相互作用 9
2.1.3 半导体材料的能带结构 10
2.1.4 PN结的能带 11
2.2 LD的工作特性 13
2.2.1 功率—电流特性 13
2.2.2 转换效率 14
2.2.3 温度特性 15
2.2.4 光谱特性 15
2.2.5 方向性 17
2.2.6 暂态特性 17
2.3 发光二极管的结构和特性 19
2.3.1 发光二极管的结构 19
2.3.2 发光二极管的工作特性 20
2.4 光源的内调制 21
2.4.1 LED的模拟调制 21
2.4.2 LED的数字调制 22
2.4.3 LD的模拟调制 23
2.4.4 LD的数字调制 23
2.5 光源的外调制 24
2.5.1 电光强度调制 24
2.5.2 光波导调制 26
2.6 脉冲编码 28
2.6.1 曼彻斯特编码 28
2.6.2 CMI码 29
2.6.3 mBnB码 29
第3章 光电探测器与光接收机 31
3.1 光电探测器 31
3.1.1 PIN光电二极管 32
3.1.2 雪崩光电二极管 34
3.2 光接收机 36
3.2.1 光接收机的结构 37
3.2.2 光接收机的噪声 40
3.2.3 光接收机的信噪比 41
3.2.4 光接收机的误码率 42
3.2.5 光接收机的灵敏度 44
第4章 光纤 46
4.1 光纤概述 46
4.2 光纤的传输原理 49
4.2.1 几何光学法 49
4.2.2 波动光学法 52
4.3 光纤的损耗特性 56
4.3.1 紫外吸收 57
4.3.2 红外吸收 57
4.3.3 散射损耗 57
4.3.4 金属元素吸收 58
4.3.5 氢氧根吸收 58
4.3.6 辐射损耗 59
4.4 光纤的色散与带宽 59
4.4.1 模式色散 61
4.4.2 材料色散 62
4.4.3 波导色散 63
4.4.4 偏振色散 63
4.5 光纤的非线性效应 64
4.5.1 非线性折射率 65
4.5.2 非线性受激散射 66
第5章 光无源器件和光放大器 68
5.1 光纤连接器 68
5.1.1 光纤固定连接方式 69
5.1.2 光纤活动连接方式 70
5.2 光开关 72
5.2.1 机械式光开关 73
5.2.2 电光开关 74
5.2.3 液晶光开关 74
5.2.4 磁光开关 75
5.2.5 热光开关 76
5.2.6 微机电光开关 77
5.3 光耦合器 79
5.3.1 光耦合器的特征参数 79
5.3.2 光耦合器的拓扑结构 80
5.4 光隔离器 81
5.5 光衰减器 82
5.6 光放大器 83
5.6.1 稀土掺杂光纤放大器 84
5.6.2 拉曼光纤放大器 86
5.6.3 半导体光放大器 88
第6章 光纤通信系统与光网络 90
6.1 光纤损耗和色散对系统性能的影响 90
6.1.1 损耗限制系统 90
6.1.2 色散限制系统 91
6.2 光纤通信系统的功率预算和上升时间预算 92
6.3 光数字传输网 93
6.4 数字光纤通信系统的性能指标 95
6.4.1 误码性能 95
6.4.2 抖动性能 97
6.5 波分复用技术 97
6.5.1 WDM基本原理 98
6.5.2 WDM系统的核心技术 98
6.6 光时分复用技术 100
6.7 接入网技术 100
下篇 空间光通信技术
第7章 引言 105
7.1 概述 105
7.2 空间光通信技术的应用和发展现状 106
7.2.1 星际空间通信应用 106
7.2.2 地面商用通信应用 107
7.2.3 军事通信应用 109
7.3 关键技术 111
7.3.1 精密、可靠的光束控制技术 111
7.3.2 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术 112
7.3.3 快速、精确的APT技术 112
7.3.4 大气信道的研究 112
7.3.5 调制和编、解码方式研究 112
7.4 发展趋势 113
第8章 空间光通信系统的功率预算 114
8.1 简化的功率预算公式 114
8.2 星际空间光通信系统的功率预算 114
8.2.1 高斯光束 115
8.2.2 光束抖动 115
8.2.3 功率预算 116
8.3 地面水平空间光通信系统的功率预算 118
8.3.1 大气衰减 119
8.3.2 大气湍流 124
8.3.3 湍流大气中的光强闪烁 126
8.3.4 湍流大气中的光束漂移 127
8.3.5 湍流大气中的光束扩展 128
8.3.6 功率预算 129
8.4 斜程空间光通信系统的功率预算 133
8.5 空间光通信系统的信噪比与误码率 136
8.5.1 信噪比 137
8.5.2 误码率 139
第9章 空间光通信系统方案设计 143
9.1 光源 143
9.1.1 半导体激光器 143
9.1.2 主振功放 145
9.1.3 光纤激光器 146
9.1.4 Nd:YAG激光器 147
9.2 探测器 147
9.3 光学天线 149
9.3.1 离轴式牛顿望远系统 149
9.3.2 卡塞格林望远系统 150
9.3.3 离轴式格里高利望远系统 150
9.3.4 附加透镜式卡塞格林望远系统 150
9.3.5 附加施密特校正板式卡塞格林望远系统 151
9.3.6 马克斯托夫—卡塞格林望远系统 151
9.4 APT系统 152
9.4.1 捕获系统 153
9.4.2 跟踪系统 155
9.5 光信号调制原理与技术 159
9.5.1 开关键控调制 160
9.5.2 脉冲位置调制 160
9.5.3 数字脉冲间隔调制 161
9.5.4 几种调制方式的性能比较 162
第10章 地面水平空间光通信系统样机设计 164
10.1 主要技术指标与器件 164
10.2 系统的结构 165
10.3 激光器驱动电路 167
10.3.1 直接光强度调制 167
10.3.2 激光器驱动电路设计 168
10.3.3 驱动电路外围电路设计及取值 169
10.3.4 电路设计中需要注意的若干问题 170
10.3.5 实验测试结果及分析 171
10.4 光接收电路 172
10.4.1 前置放大器 173
10.4.2 限幅放大器 174
10.4.3 接收电路设计 176
10.4.4 电路设计中需要注意的若干问题 176
10.4.5 实验测试 177
10.5 以太网接口模块 178
10.5.1 媒体转换器IP113的内部结构 178
10.5.2 IP113外围电路设计 180
10.5.3 实验测试 182
10.6 光学天线 183
10.6.1 光学天线的结构 183
10.6.2 天线效率以及准直发散角的实验测试 184
10.7 空间光通信链路功率预算 185
10.8 空间光通信系统测试 185
10.8.1 基于视频处理的空间光通信 186
10.8.2 基于以太网传输的空间光通信 187
第11章 空间光通信的保密性能 190
11.1 概述 190
11.2 空间光通信信号被截获的可能性 190
11.2.1 在信道外截获散射光信号的理论模型 190
11.2.2 散射区域的限制条件 194
11.2.3 计算实例 196

第12章 空间光通信系统中脉冲展宽问题的研究 199
12.1 概述 199
12.2 大气色散 199
12.2.1 大气色散对单纵模激光器产生的光脉冲的影响 200
12.2.2 大气色散对多纵模激光器产生的光脉冲的影响 202
12.3 大气扰动的影响 205
12.4 光学系统的影响 206
12.5 采用低精度大口径非成像光学元件的研究 209
12.5.1 采用大口径光学接收天线的原因 209
12.5.2 几种典型非成像光学元件的仿真计算 210
参考文献 216