光纤中的布里渊散射效应在通信技术中的应用/电子信息前沿技术丛书 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王如刚，周锋 著

图书标签:

• 光纤通信
• 布里渊散射
• 光纤传感
• 非线性光学
• 光纤技术
• 电子信息
• 前沿技术
• 通信系统
• 光信号处理
• 散射理论

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302456780

版次：1

商品编码：12096256

包装：平装

丛书名： 电子信息前沿技术丛书

开本：16开

出版时间：2016-12-01

用纸：胶版纸

页数：169

字数：171000

内容简介

　　为了获得高频通信系统中的可调谐微波信号源等，本书首先分析高频微波信号光学产生方法的国内外研究进展；在分析光纤中受激布里渊散射效应的基础上，设计单纵模环形腔布里渊激光器；利用获得的单纵模激光器，提出基于单纵模激光器融合布里渊散射移频单元的多带宽高频微波信号产生的方法，并分析微波信号的性能；提出并实验验证了多环结构受激布里渊散射效应的微波信号产生的方法；从理论上分析受激布里渊散射放大效应的基本原理，提出获得多波长布里渊激光器的方法，利用该多波长激光器，实验分析获得高频微波信号产生的方法；从理论上分析布里渊散射效应在通信系统中的信号传输速度的控制性能，提出高频通信系统速度控制系统的方法，并分析其性能。

作者简介

　　王如刚，盐城工学院信息工程学院副教授，博士。主要从事光纤通信及光纤传感技术的研究。研究领域：高频通信载波信号的光学产生技术、光纤传感技术等。已在国内外期刊上发表论文十余篇。

　　周锋，盐城工学院信息工程学院讲师，博士在读。主要从事光纤传感网络的研究。研究领域：光纤传感网络的组网、光纤传感网络的安全等。已在国内外期刊上发表论文十余篇。

内页插图

目录

第1章绪论
1．1研究意义
1．2高频微波信号光学产生方法的国内外研究现状
1．2．1外部调制方法
1．2．2光注入半导体激光器方法
1．2．3光电振荡器微波信号产生方法
1．3研究内容分析
1．4研究思路与框架结构
1．4．1研究思路
1．4．2研究框架结构
参考文献
第2章光纤中的布里渊散射效应及其激光器设计
2．1光纤中的布里渊散射
2．1．1自发布里渊散射
2．1．2受激布里渊散射
2．2光纤中布里渊散射特性
2．2．1布里渊散射谱特性
2．2．2布里渊频移与温度和应力的关系
2．3光纤中布里渊散射阈值分析
2．4基于布里渊散射的单纵模激光器设计
2．4．1布里渊激光器理论分析
2．4．2实验系统
2．4．3实验结果与分析
2．5本章小结
参考文献
第3章基于单环结构的布里渊散射效应的宽带微波信号产生技术
3．1差频结合平衡检测基本原理
3．2基于布里渊散射的可调微波信号产生的实验系统
3．2．1温度控制系统设计
3．2．2性能分析
3．3可调谐微波信号产生的实验结果与分析
3．4本章小结
参考文献
第4章基于双环结构的布里渊散射效应的宽带微波信号产生技术
4．1光外差法产生微波信号原理
4．2基于布里渊散射的可调微波信号产生机理
4．3基于布里渊激光器的可调谐微波信号产生方法
4．3．1实验系统
4．3．2实验结果与分析
4．4本章小结
参考文献
第5章基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生技术
5．1受激布里渊散射放大效应理论分析
5．2基于布里渊散射放大效应的多波长激光器研究
5．2．1实验结构
5．2．2实验结果与分析
5．3基于多波长布里渊激光器的微波信号产生研究
5．3．1实验装置
5．3．2结果与分析
5．4本章小结
参考文献
第6章基于布里渊散射光电振荡器的高频微波信号产生技术
6．1光电振荡器基本原理
6．2基于布里渊散射光电振荡器的微波信号产生技术的
阶段性研究成果
6．3基于布里渊散射光电振荡器微波信号产生方法的
研究计划
6．3．1研究的主要内容
6．3．2拟采取的研究方法和技术路线
6．4本章小结
参考文献
第7章光纤中的布里渊散射效应在通信信号速度控制系统中的应用
7．1基于布里渊散射效应的通信信号传输速度控制理论分析
7．2基于布里渊散射效应的单通道通信信号速度控制
系统实验研究
7．2．1半导体光放大器性能分析
7．2．2实验装置
7．2．3实验结果与分析
7．3基于布里渊散射效应的多通道通信信号速度控制
系统实验研究
7．3．1实验装置
7．3．2实验结果与分析
7．4本章小结
参考文献

前言/序言

　　随着互联网业务和网络电视等多媒体业务的迅速发展，无线通信技术已经发展到了新的阶段，但随着用户数量的增多以及对带宽需求的增加，无线通信系统又面临频谱资源受限的挑战。为了解决此问题，无线通信技术必须拓宽频率范围，将通信频段提高至微波信号频段，因此，光载无线技术应运而生。光载无线技术结合光纤通信技术和无线通信技术，充分利用了光纤低损耗、高容量以及抗电磁干扰等优点，能够实现低成本、大容量的超宽带无线接入和有线传输，为下一代融合接入网提供了技术支撑。同时，光载无线技术既能满足信号带宽的需求，又能克服未来的光无线接入网中的频率拥堵等问题。在光载无线技术中，微波信号的光学产生是实现低成本高性能光载无线传输系统的关键，而使用电子器件产生微波信号的传统方法受限于电子器件的瓶颈，对产生高频微波信号具有一定的挑战性。目前，使用光学方法产生微波信号是最有前途的解决方案，在过去的几年里，国内外对光生微波技术开展了大量的研究。从这些研究可以看出，布里渊散射效应是光纤中常见的一种散射，其散射光相对入射光具有一定的频移，且频移量与外界环境的温度和应力呈线性关系。利用光纤中的布里渊散射特性可以实现微波信号的产生、交换及获取等，这些方面都是实现光载无线技术的核心。因此，系统地研究光纤中的布里渊散射效应在光载无线通信技术中的应用，不仅具有学术价值，而且具有十分重要的社会意义。
　　本书首先讨论光纤中泵浦光场、斯托克斯光场和声波场之间相互作用而产生自发和受激布里渊散射的机理，分析光纤中布里渊散射的性能，设计单纵模布里渊激光器；其次，利用获得的单纵模布里渊激光器，提出基于单纵模激光器融合布里渊散射移频单元的多带宽微波信号产生的方法，并分析产生的微波信号性能；在此基础上，提出并实验验证多环结构的布里渊散射效应的微波信号产生方法；从理论上分析受激布里渊散射放大效应的基本原理，利用受激布里渊放大效应结合获得的单纵模布里渊激光器，提出多波长布里渊激光器的方法，利用该多波长布里渊激光器设计高频微波信号产生的方案；分析布里渊散射光电振荡器微波信号产生的基本原理，提出利用光注入DFB激光器结合液芯单模光纤布里渊散射效应的光电振荡器微波信号产生的技术；最后，分析多布里渊增益线的纵模间隔对信号延迟和增益控制性能的影响，获得优化的纵模间隔，针对目前的高速通信系统，提出基于半导体激光器的高频通信速度控制系统，通过实验分析可调谐和多通道宽带控制系统的性能。
　　希望以上的研究方法和观点能够对我国微波信号光学产生技术的研究与实现提供一些技术上的支持，对关注光纤通信和光纤传感技术发展的学者以后的进一步研究提供一些借鉴，为光电子技术企业经营者的理性决策提供一些参考。
　　本书得到了盐城工学院学术专著出版基金、江苏省六大人才高峰项目(DZXX��028)、中国博士后科学基金资助项目(2015M571637)、江苏省产学研前瞻性项目(BY2015057.39，BY2016065.03)、江苏省高校自然科学研究基金项目(14KJB510034)和盐城工学院人才引进(KJC2013014)项目的资助。
　　由于作者水平有限，时间仓促，不足和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。
　　作者
　　2016年8月

现代通信网络的光学基石：光纤通信系统概览 一、 引言：信息时代的澎湃动脉 人类文明的每一次飞跃，都伴随着信息传递方式的革新。从烽火狼烟到电报电话，再到如今无处不在的互联网，信息传递的速度和容量已成为衡量一个时代发展水平的关键指标。在这个信息爆炸的时代，光纤通信以其前所未有的带宽、极低的损耗和强大的抗干扰能力，成为了现代通信网络的绝对主力，支撑着全球经济、文化和科技的蓬勃发展。本书旨在为读者勾勒出光纤通信系统壮丽的蓝图，深入剖析其核心组成部分、工作原理以及在不断演进的通信技术中所扮演的关键角色，但并不会聚焦于某一特定物理现象，而是提供一个更宏观、更全面的视角。 二、 光纤通信系统的基本构成：从源头到终端的信号之旅 一个完整的光纤通信系统，就好比一条复杂而高效的“信息高速公路”，它需要精确协作的各个环节才能将数字信息准确无误地从发送端送达接收端。我们将从以下几个关键模块展开论述： 1. 信源与编码：信息的“源头活水” 数字信号的产生： 无论是语音、图像还是数据，最终都需要转化为数字信号才能通过光纤进行传输。这一过程通常涉及模拟信号的采样、量化和编码，如脉冲编码调制（PCM）等。 信源编码： 为了提高传输效率并减少冗余，我们会对原始数字信号进行压缩编码。这包括有损编码（如JPEG、MP3）和无损编码（如LZ77、Huffman编码），其目标是在保证可接受的失真程度下，最大程度地降低数据量。 信道编码： 在传输过程中，信号不可避免地会受到噪声和干扰的影响，导致误码率的增加。信道编码的作用是在原始数据中添加冗余信息（校验位），使得接收端能够检测甚至纠正一定数量的错误，从而提高传输的可靠性。常见的信道编码方案包括卷积码、里德-所罗门码（RS码）、Turbo码和LDPC码等。这些编码技术是现代通信系统能够达到高误码率性能的关键。 2. 光发送端：点亮信息传输的“引擎” 光源： 光发送端的核心是产生高稳定、高功率的光信号。激光器（Laser Diode, LD）和发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是两种主要的光源。激光器具有光谱窄、相干性好、输出功率高等优点，尤其适用于长距离、高速率的光纤通信系统。LED则成本较低，但性能相对逊色，多用于短距离、低速率的通信。 调制器： 将数字电信号转化为光信号的过程称为光调制。常见的调制方式包括： 强度调制（Intensity Modulation, IM）： 根据数字信号的0和1，控制光源的开关或光强度的变化。这是最简单、最常用的调制方式，常与非归零（NRZ）或归零（RZ）编码结合使用。 相位调制（Phase Modulation, PM）和频率调制（Frequency Modulation, FM）： 通过改变光的相位或频率来携带信息。这些调制方式通常需要更复杂的光学器件和接收端技术，但能提高频谱利用率和抗干扰能力。 相干检测技术： 结合相位和幅度信息进行调制，如正交幅度调制（QAM），能够极大地提高传输容量，是现代高速光通信的关键技术。 驱动电路： 驱动电路负责将数字电信号以合适的电平、频率和时序驱动光调制器，实现精确的光信号生成。 3. 光纤传输介质：信息的“高速公路” 光纤的种类： 单模光纤（Single-mode Fiber, SMF）： 纤芯直径极小（约9微米），只允许基模传输，具有极低的色散和衰减，是长距离、大容量通信的首选。 多模光纤（Multi-mode Fiber, MMF）： 纤芯直径较大（50或62.5微米），允许多个模式的光传输。多模光纤存在模间色散，限制了其传输距离和速率，但成本较低，适用于短距离应用。 传输损耗： 光在光纤中传输时，会因为材料吸收、散射、弯曲等原因产生损耗，导致光信号强度下降。低损耗光纤是实现长距离通信的基础。 色散： 色散是指不同波长或不同模式的光在光纤中传播速度不同的现象，它会导致信号展宽，影响信号的恢复。主要的色散包括： 材料色散： 光纤材料的折射率随波长变化引起。 波导色散： 光纤结构（纤芯和包层）对不同模式的限制作用不同引起。 模式色散（仅限多模光纤）： 不同模式在光纤中传播路径不同导致。 偏振模色散（PMD）： 光纤的非均匀性导致不同偏振态的光传播速度不同。 偏振相关损耗（PDL）： 光纤对不同偏振态的光吸收或散射程度不同。 非线性效应： 当光功率足够高时，光纤材料的非线性光学效应会变得显著，例如受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）等。这些效应会影响信号的传输质量，甚至导致信号失真，需要通过系统设计和补偿技术来加以抑制。 4. 光放大器：弥补损耗的“能量站” 掺铒光纤放大器（EDFA）： 是目前最成熟、应用最广泛的光放大器，通过掺杂稀土元素铒，利用泵浦光实现光信号的增益。EDFA具有高增益、低噪声、宽带宽的特点，是实现超长距离光通信的关键技术。 半导体光放大器（SOA）： 利用半导体材料实现光信号的放大，结构紧凑，易于集成，但噪声性能和增益平坦度相对不如EDFA。 拉曼放大器（Raman Amplifier）： 利用光纤本身的非线性效应（如受激拉曼散射）来实现放大，可以在任何波长范围内实现放大，且可实现分布式放大，与EDFA配合使用可进一步提升传输性能。 5. 光接收端：解码信息的“监听器” 光电探测器（Photodetector）： 将接收到的微弱光信号转换为电信号。常用的光电探测器包括PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。APD具有内建的增益，能提供更高的灵敏度。 解调器： 根据调制方式，将转换后的电信号进行解调，恢复出原始的数字电信号。 信号处理与再生： 接收到的电信号可能存在噪声和失真。信号处理单元通过滤波、均衡、时钟恢复等技术，最大限度地减少信号劣化。对于长距离传输，还需要光信号的再生（OEO再生），即将接收到的光信号先转换为电信号，再重新进行编码、整形和发射，以消除累积的噪声和失真。 三、 光纤通信系统的关键技术发展方向 随着信息需求的爆炸式增长，光纤通信系统正朝着更高容量、更长距离、更灵活、更智能的方向发展： 1. 更高的数据速率： 更高阶的调制格式： 如16QAM、64QAM甚至1024QAM，利用同一波长承载更多比特信息。 更高容量的光谱利用： 波分复用（WDM）： 将不同波长的多路光信号复用到同一根光纤中传输，极大地提高了光纤的传输容量。密集波分复用（DWDM）系统可在一个光纤中集成几十甚至上百个波道。 空分复用（SDM）： 利用光纤的空间维度，在同一根光纤中传输多路信号，如多芯光纤（MCF）和模式复用光纤（MOF）。 相干光通信： 结合高级调制格式和相干检测技术，实现对光信号的相位、幅度、偏振等信息的精确调控和检测，是当前高速光通信的主流技术。 2. 更智能的网络管理： 软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）： 将网络控制平面与数据平面分离，使网络配置和管理更加灵活和自动化，能够根据业务需求动态调整网络资源。 人工智能（AI）在光网络中的应用： 用于故障预测与诊断、网络优化、流量调度、资源分配等方面，提升网络运维效率和可靠性。 3. 下一代光纤技术： 大有效面积光纤（Large Effective Area Fiber, LEAF）： 减小光纤的有效面积，降低非线性效应的影响，适用于更高功率和更高速率的传输。 低模间色散光纤（Reduced-）/零模间色散光纤（）: 优化光纤结构，减小或消除模间色散，提升多模光纤的传输性能。 新材料与新结构光纤： 如空心光纤（Hollow-core fiber）和光子晶体光纤（PCF），有望在未来实现超低损耗、超低非线性或全新的光传输特性。 四、 光纤通信在现代社会中的重要作用 光纤通信系统已经渗透到现代社会的方方面面，构成了信息时代的基石： 互联网骨干网： 提供高带宽、低延迟的连接，支撑着全球互联网的畅通无阻。 移动通信网络（5G/6G）： 为基站提供高容量回传（backhaul）和前传（fronthaul），是实现高速无线通信的关键。 数据中心互联（DCI）： 连接日益增长的数据中心，满足海量数据传输的需求。 企业与家庭接入： 光纤到户（FTTH）为用户提供了超高速的互联网接入，改变了人们的工作、学习和娱乐方式。 科研与军事应用： 高速、大容量的光纤通信为科学研究（如粒子加速器、射电望远镜）和国防通信提供了强大的支持。 五、 结论 光纤通信系统是一项集光学、电子、材料、通信等多学科知识于一体的复杂而精密的工程。从信源编码到光电转换，从光纤传输到光信号放大，再到最终的信号解调，每一个环节都凝聚了无数科学家的智慧和努力。随着技术的不断进步，光纤通信必将在未来的信息社会中扮演愈发重要的角色，驱动人类文明迈向新的高度。本书以宏观的视角，为您揭示了这一“信息高速公路”的运作奥秘，并展望了其激动人心的未来发展图景。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对通信技术充满热情，但非专业背景的科技爱好者，我总是渴望能够了解那些驱动现代通信发展的核心技术。光纤通信无疑是其中最重要的一环，而“光纤中的布里渊散射效应”这个书名，虽然听起来有些专业，却暗示着其中隐藏着许多令人着迷的物理原理和技术创新。我希望这本书能够以一种相对易懂的方式，为我揭示布里渊散射是如何在光纤中发生的，它与我们所熟知的瑞利散射、拉曼散射又有什么不同。更重要的是，我希望这本书能够解释，这样一个看似基础的光物理现象，是如何在现代通信技术中发挥关键作用的。例如，它是否与我们常说的“光纤放大器”有关？它又如何帮助我们实现更快的网速和更稳定的信号传输？我尤其对书中关于“应用”的部分充满期待，希望它能通过生动的例子，介绍布里渊散射是如何被工程师们巧妙地利用，以解决通信中的实际问题，甚至创造出新的技术可能性。这本书的出现，将是我深入了解光纤通信奥秘的一扇重要窗口，我期待它能带我领略科学的魅力和技术的智慧。

评分☆☆☆☆☆

对于我们这些长期在光通信器件研发领域摸索的工程师来说，“光纤中的布里渊散射效应在通信技术中的应用”这本书名本身就代表着一种价值。布里渊散射，尤其是在大功率传输系统中，一直是一个难以回避的技术瓶颈，但同时，它也蕴含着巨大的应用潜力。我期待这本书能够提供一个关于布里渊散射的全新视角，不仅仅是其对信号的干扰，更重要的是其作为一种“工具”的潜能。我希望书中能够深入探讨如何精确地控制和利用受激布里渊散射（SBS）效应，例如，在光纤放大器中实现更优异的增益特性和更低的噪声；在光纤激光器中实现更稳定、更窄线宽的输出；甚至在光纤传感领域，利用其独特的频移特性实现超高精度的测量。我特别希望书中能够包含一些关于新型材料、新型光纤结构或者创新性泵浦光设计的研究成果，这些都可能是解决SBS问题或者实现SBS新应用的突破口。此外，对于那些已经成熟的应用，我同样期待书中能够有详尽的机理分析和性能评估，以便我们能够更有效地进行器件优化和系统设计。这本书的出现，无疑为我们提供了宝贵的知识储备和技术灵感。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，对我这样一名正在攻读博士学位的学生来说，简直是雪中送炭。在我的研究课题中，我们正致力于开发新型的光纤传感系统，而布里渊散射效应正是该系统的核心技术之一。我一直苦于找不到一本能够系统性、全面性地梳理布里渊散射在各类通信技术中应用的书籍。很多零散的论文和技术报告虽然有提及，但缺乏一个宏观的视角和深入的理论推导。我希望这本书能够填补这一空白，它不仅会提供布里渊散射的基本理论，更重要的是，它能够将这些理论与实际的通信应用场景紧密结合起来，例如，它可能会详细介绍如何利用布里渊散射的频移特性来测量光纤的应力、温度甚至损伤点，这对于构建更鲁棒、更智能化的通信基础设施至关重要。我还期待书中能够包含一些最新的研究进展和尚未广泛应用的创新性技术，比如利用布里渊散射实现光信号的时域处理，或者将其应用于光子集成芯片中的信号控制。如果书中能够提供一些案例分析，展示实际工程中是如何克服布里渊散射带来的挑战，或者如何利用其实现意想不到的功能，那将是对我研究工作极大的启发。总而言之，这本书的价值不仅在于理论的严谨，更在于其对前沿技术应用的深刻洞察和前瞻性。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在通信运营商一线工作的技术主管，每天都要面对各种各样复杂的网络问题。光纤传输是我们的生命线，而布里渊散射，这个我们工程师口中常说的“SBS效应”，一直是影响我们网络性能的一个重要因素，尤其是在长距离传输和高功率传输的场景下。我一直想找一本能够帮助我们深入理解这个现象，并且能够提供切实可控的解决方案的书。这本书，听名字就感觉非常贴合我们的需求。我希望它不仅仅是停留在理论层面，更重要的是能够有“应用”二字，意味着它会探讨如何将布里渊散射的原理转化为实际的工程应用，甚至是如何抑制它带来的负面影响，或者如何巧妙地利用它来优化我们的传输系统。比如，我非常关心书中是否会讨论如何设计更优的光源和光纤，以最小化SBS对信号的损伤；又或者，是否会有关于如何通过更先进的数字信号处理技术来补偿SBS效应的探讨。当然，如果书中能涉及一些案例分析，比如某个运营商是如何通过解决SBS问题来提升其网络容量和稳定性的，那对我来说就更有借鉴意义了。这本书的出现，我相信一定能为我们这些一线工程师提供宝贵的实操指导和技术提升。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在光通信领域摸爬滚打多年的工程师，我对“光纤中的布里渊散射效应在通信技术中的应用”这本书一直充满期待。尽管我尚未有机会拜读全书，但从书名和其所属的“电子信息前沿技术丛书”的定位，我能预见它将是一本极具深度和前瞻性的著作。布里渊散射，这个听起来就带着一丝神秘色彩的光物理现象，在看似平常的光纤通信中扮演着怎样的角色，又如何被巧妙地应用于提升通信系统的性能，这无疑是吸引我目光的焦点。我猜想书中会详细阐述布里渊散射产生的机理，比如声子与光子的相互作用，以及不同类型的布里渊散射（如受激布里渊散射SBS和自发布里渊散射SpBS）的差异和特点。更重要的是，我期待它能深入剖析这些效应如何在光纤放大器、光纤传感器、光纤激光器等关键通信设备中得到实际应用。例如，SBS在光纤放大器中如何影响信号的增益和噪声，又如何通过合适的泵浦光设计来优化；SBS又如何被用来实现高功率光纤激光器的输出稳定性和波长调谐。此外，SpBS在光纤传感领域，特别是在分布式温度和应力测量中的潜力，也令我充满好奇。这本书的出现，无疑为我这类在实际工作中需要解决各种光纤传输难题的技术人员，提供了一个深入理解和掌握这一前沿技术的重要途径。我迫不及待地想要一探究竟，书中那些抽象的物理原理是如何转化为实实在在的通信技术创新。