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本书结合光纤通信技术和空间光通信技术目前的发展动态，全面介绍了以光为载波的通信系统的基本概念、原理、技术以及系统设计方法，上篇主要内容包括：光纤通信系统的优点及组成；光源器件的结构、发光原理、调制原理及编码技术；光检测器件的结构和原理，光接收机的相关理论；光纤的传输原理和特性，光纤的非线性效应；光无源器件和光放大器的原理与应用；光纤通信系统性能指标与光网络技术。下篇主要内容包括：空间光通信技术的发展现状及关键技术；空间光通信系统的功率预算；各部分的方案设计；地面水平空间光通信系统的样机设计；空间光通信系统保密性能的研究及光脉冲展宽问题的研究。

目    录

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

前    言


以光为载波的通信系统具有巨大的信息传输容量，一条光链路理论上可以容纳几十亿人同时通话。以光为载波进行通信有两种方式：光纤通信和空间光通信，两者的区别在于：光纤通信的通信链路是封闭在光纤中的，而空间光通信的通信链路是开放的。由于历史的原因，光纤通信技术已经发展得比较成熟，空间光通信技术相对起步较晚，但是也发展迅速。相信未来以光为载波的通信将继续发展，把通信技术从电到光推向更高的台阶。
全书分为上、下两篇，上篇为光纤通信技术，包括第1章至第6章；下篇为空间光通信技术，包括第7章至第12章。第1章为光纤通信技术部分的引言，主要介绍光纤通信系统的优点和系统组成；第2章为光源与光发射机，介绍激光的发光原理，半导体激光器和发光二极管的结构和工作特性，以及光源的调制和编码方法；第3章为光电探测器与光接收机，介绍了PIN光电二极管和雪崩光电二极管的原理、结构和特性，在介绍光接收机的主要组成部分的电路结构和工作特性的基础上，讨论光接收机的噪声、信噪比、误码率和灵敏度；第4章主要介绍光纤的传输原理与传输特性，包括光纤的结构、分类、导光原理、损耗、色散以及非线性效应；第5章介绍几种常用的光无源器件的作用、工作原理和种类，包括光纤连接器、光开关、光耦合器、光隔离器和光衰减器，然后介绍光放大器的概念、几种典型光放大器原理与应用；第6章为光纤通信系统与光网络，介绍光纤损耗和色散对系统性能的影响，以及两种数字传输体制、系统性能指标，介绍波分复用技术、光时分复用技术以及接入网技术；第7章为空间光通信技术部分的引言，主要介绍了空间光通信技术的应用和发展现状，以及关键技术和发展趋势；第8章为空间光通信系统的功率预算，分别介绍了星际的、地面水平以及斜程空间光通信系统的功率预算，以及信噪比与误码率；第9章为空间光通信系统的方案设计，包括光源、探测器、光学天线、ATP系统的设计，以及光信号的调制原理与技术；第10章为地面水平空间光通信系统样机设计，介绍激光器驱动电路、光接收电路、以太网模块和光学天线的设计以及测试结果；第11章讨论空间光通信信号被截获的可能性；第12章讨论空间光通信系统的脉冲展宽问题，提出采用低精度大口径非成像光学元件。
本书的第10章主要由周燕博士完成，在此表示深深的感谢。
为保证本书理论部分的系统性，编者参考了相关领域出版的部分著作和教材，同时引用了一些文献中发表的内容，它们使得本书能够反映光纤通信技术和空间光通信技术发展的当前水平。在此，对这些成果的作者表示诚挚的谢意。
由于编者水平有限、经验不足，加之时间仓促，书中难免存在错漏之处，敬请读者批评指正。

编著者

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光纤通信与空间光通信技术