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光調製與再生技術
	曾用價	68.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年05月
	開本	16
	作者	武保劍,文峰
	裝幀	平裝
	頁數	182
	字數	277000
	ISBN編碼	9787030570154

內容介紹
新型光調製與全光再生將成為未來光縴通信網絡的兩大核心支撐技術，主要涉及通信原理、物理光學、光學非綫性等知識。全書共分7章，第1章簡述光縴通信的發展曆程和未來趨勢；第2～4章為光調製部分，以光信號收發技術為基礎，從數字調製和模擬調製兩個角度梳理信息傳輸所采用的光調製格式和復用方式，闡述光調製與解調的基本規律、具體實現方法和相關器件結構原理；第5～7章為全光再生部分，從方案優化、器件創新等角度探討單波長、多波長以及高階調製信號的再生技術。 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 光縴通信的發展 1
1.1.1 四個發展階段 1
1.1.2 未來發展趨勢 3
1.2 光調製與接收 5
1.3 信號再生技術 6
1.3.1 光縴非綫性效應 7
1.3.2 全光再生實現 8
1.4 本書內容安排 8
參考文獻 9
第2章 光信號收發技術 11
2.1 光縴通信 11
2.2 光發送機 13
2.2.1 半導體光源 13
2.2.2 光發送機組成 16
2.2.3 直接調製特性 17
2.2.4 自動控製電路 19
2.3 間接光調製器 21
2.3.1 電光調製器 21
2.3.2 電吸收調製器 27
2.3.3 聲光調製器 28
2.3.4 磁光調製器 29
2.4 光接收機 30
2.4.1 光電檢測器 30
2.4.2 光接收機組成 33
2.4.3 信噪比特性 35
2.4.4 相乾光接收機 36
2.5 光通信性能參數 38
2.5.1 信號的光譜特性 38
2.5.2 傳輸信號的眼圖 41
2.5.3 數字傳輸性能參數 43
2.5.4 性能參數的關係 45
參考文獻 48
第3章 光場的數字調製 49
3.1 信號分析基礎 49
3.1.1 確定信號的功率譜密度 49
3.1.2 常用的傅裏葉變換關係 50
3.1.3 隨機信號的數值特徵 52
3.2 數字基帶信號的特性 54
3.2.1 二進製綫路碼型 54
3.2.2 數字基帶信號的功率譜 55
3.2.3 奈奎斯特濾波器和匹配濾波器 58
3.2.4 數字基帶信號的誤碼率 61
3.3 光場信號的帶通特性 62
3.3.1 帶通信號的頻譜 62
3.3.2 光場調製的復包絡錶示 64
3.3.3 光場的外差解調過程 65
3.4 二進製光場調製與解調 69
3.4.1 NRZ-OOK信號 69
3.4.2 BPSK/DPSK信號 72
3.4.3 FSK/MSK信號 75
3.4.4 SC-RZ信號 78
3.5 多進製光場調製與解調 80
3.5.1 QAM信號 80
3.5.2 QPSK/DQPSK信號 81
3.5.3 多進製帶通信號的傳輸帶寬 84
3.5.4 多進製頻帶傳輸的誤碼性能 85
參考文獻 87
第4章 光場的模擬調製 88
4.1 模擬光調製的分類 88
4.2 模擬基帶直接光強調製 89
4.3 光場的射頻調製 90
4.4 光載無綫（ROF）技術 93
4.4.1 ROF的興起 93
4.4.2 ROF與關鍵技術 94
4.4.3 ROF性能參數 96
4.5 光正交頻分復用 100
4.5.1 正交頻分復用原理 100
4.5.2 相乾檢測光OFDM 103
4.5.3 直接檢測光OFDM 106
參考文獻 107
第5章 單波長信號的全光再生 109
5.1 全光再生結構 109
5.2 基於FOPO的全光時鍾提取 110
5.2.1 FOPO結構及原理 111
5.2.2 穩定性因素分析 112
5.2.3 閑頻反饋控製技術 115
5.3 基於FWM的非綫性光判決門 119
5.3.1 光縴FWM效應 119
5.3.2 FWM再生方案對比 121
5.3.3 再生性能分析 122
5.4 磁控全光再生技術 127
5.4.1 磁光非綫性理論模型 127
5.4.2 全光縴磁光薩格納剋乾涉儀 131
5.4.3 磁控3R再生器結構 133
5.4.4 磁場對再生性能的影響 136
參考文獻 137
第6章 多波長全光再生技術 139
6.1 多波長再生結構 139
6.2 串擾分類及其技術 140
6.2.1 串擾分類 140
6.2.2 串擾方案 141
6.3 基於時鍾泵浦FWM效應的多波長再生 144
6.3.1 再生結構 144
6.3.2 再定時性能分析 145
6.4 基於數據泵浦FWM效應的多波長再生 149
6.4.1 實驗結構與原理 150
6.4.2 再生性能與討論 151
6.5 再生波長數量的提升 155
6.5.1 占空比優化 155
6.5.2 色散管理 157
參考文獻 159
第7章 高階調製信號的全光再生 160
7.1 基於NOLM的多電平幅度再生 160
7.1.1 NOLM再生原理 160
7.1.2 工作點的確定 162
7.1.3 幅度再生性能分析 164
7.2 基於PSA的多電平相位再生 168
7.2.1 PSA再生原理 168
7.2.2 相位再生性能分析 169
7.3 幅度和相位信息的同時再生 171
7.3.1 具有相位保持功能的多電平幅度再生 171
7.3.2 相位和幅度的同時再生 173
7.4 多波長高階調製信號再生技術 175
7.4.1 偏振輔助PSA方案 175
7.4.2 多波長再生性能分析 175
7.5 集成光學器件中的全光再生 177
7.5.1 基於MRR的時鍾提取 178
7.5.2 基於矽綫波導的相敏再生 179
參考文獻 181 在綫試讀
第1章 緒論
　　光縴通信經過近半個世紀的發展，單波長上傳遞的信息速率已由*初的數十Mb/s提升到100Gb/s，甚至更高[1，2]。網絡應用也從基本的語言服務擴展到在綫高清視頻、4K互動遊戲等方麵。光縴通信的發展離不開核心器件與技術的進步，本章首先迴顧光縴通信的發展曆程，並展望其未來發展趨勢；然後簡要介紹光縴通信的核心收發組件，不同調製格式對光收發機的具體要求，以及全光再生技術在光交換與中繼中的作用，科爾非綫性效應的物理本質與現象，及其在全光再生過程中的應用；*後對本書各章節的主要內容加以說明。
　　1.1 光縴通信的發展
　　信息傳遞是人類社會的基本需求。自進入21世紀的信息時代以來，信息傳遞的重要性更是不言而喻。目前熱門的5G、人工智能、物聯網、機器學習等熱點問題都伴隨著通信及其相關技術的發展，成為人們日常生活不可或缺的一部分。信息傳遞的核心是信息的采集、傳輸與接收，如何高效、無誤地將信息從發齣者傳送到接收者，吸引瞭大量科研工作人員不斷地創新與探索。從古代的烽火到近代的電報，都在不同曆史進程中扮演瞭重要的角色。伴隨著人類對電磁波的深入研究，1940年正式建立瞭第*條同軸電纜通信，其所能傳遞的信息內容與速度都是過去任何技術無法比擬的。然而隨著傳輸距離的不斷增加，電信號快速衰減直至無法使用，因此需要大量的中繼器應用於該通信之中，這無疑增加瞭的復雜程度和信息傳遞成本。如何更加有效、低成本地傳遞電磁波信號，成為科研工作者的共同課題。1966年高錕博士提齣低損耗光縴概念[1]，成為解決上述問題的關鍵。正因為這一概念對光縴通信的開創性貢獻，2009年高錕博士獲得瞭諾貝爾物理學奬[2]。隨後的數年間，激光器、探測器等核心器件相繼問世，光縴通信正式進入高速發展時期。光縴通信的發展離不開核心器件的推動[3]，下麵介紹不同時期的光縴通信技術特徵與相關核心器件，並進一步探討未來通信網絡的發展趨勢。
　　1.1.1 四個發展階段
　　圖1.1簡要描繪瞭一個現代光縴通信的組成。由於目前傳遞的信息仍然是電信號，因此首先需要對電信號進行復用並調製到光載波上；隨後，光信號耦閤進入光縴後進行長距離傳輸，並根據需要進行交換與中繼；在接收端，利用光接收機重新將光信號轉換為電信號，從而完成信息的傳遞任務。
　　圖1.1 光縴通信示意圖
　　目前光縴通信經曆瞭四個發展時期，並在高階調製信號、超低損耗光縴的推動下嚮單波長傳輸速率400Gb/s甚至是1Tb/s方嚮進發。
　　第*階段為多模光縴通信。從1966年到1980年，光縴通信技術由基礎研究領域嚮商業應用邁齣成功的一步。在此期間，使用砷化鎵（GaAs）材料的半導體激光器被發明齣來，同時康寜公司也拉製齣高品質的低衰減光縴，其損耗係數已經低於高錕博士所提齣的光縴損耗關卡：20dB/km。1976年，第*條速率為44.7Mbit/s的光縴通信在美國亞特蘭大的地下管道中誕生。經過5年的發展，第*個商用於1980年問世，它采用800nm波長的光載波，通過多模光縴提供45Mb/s的信息傳遞速率，每10km需要一個中繼器來增強信號。由於多模光縴的模間色散大、傳輸損耗高，第*代光縴通信的傳輸性能被限製。
　　第二階段為1300nm單模光縴通信。20世紀80年代早期，為剋服第*代通信中多模光縴引入的色散和損耗問題，1981年成功研製齣單模光縴。而波長為1300nm的銦鎵砷磷激光器（InGaAsP）則提供瞭有效光源，它位於單模光縴的低損耗傳輸窗口。這使得商用光縴通信的傳輸速率高達1.7Gb/s，比第*代的速率快瞭近40倍。此時單模光縴的損耗已降至約0.5dB/km，中繼距離大幅提升至50km。
　　第三階段為1550nm單模光縴通信。20世紀80年代末到90年代初，光縴通信采用波長為1550nm的激光器作為光源，該工作波長位於單模光縴傳輸損耗*低的通信窗口，損耗特性已降至0.2dB/km。此後的光縴通信也一直沿用該工作波長窗口。與此同時，隨著傳輸速率的進一步提高，高速光信號受到光縴色散的影響開始突顯，信號光脈衝的寬度隨著傳輸距離的增加而逐漸變寬，會導緻碼間串擾問題。於是，科研人員又設計齣色散移位光縴，使得1550nm處的色散幾乎為零。第三代光縴通信速率達到2.5Gb/s，而中繼距離進一步增加到100km。
　　第四階段為波分復用光縴通信。20世紀90年代以後，如何進一步提高速率成為研究熱點。繼續沿用之前的設計思路，采用更窄的脈衝雖然可以有效提高速率，但該方法對調製器和探測器的帶寬提齣瞭更高的要求，並需要使用昂貴的電信號處理器件。波分復用（WDM）技術提供瞭另外一種解決方案，它通過使用不同的光載波並行傳遞數據，達到提升速率的目的。復用後的信息在時域上互相交疊，而在頻域上是相互獨立的，利用解復用器件可以容易地提取齣原始的單路信號。摻鉺光縴放大器（EDFA）的研製進一步推動瞭基於WDM技術的第四代光縴通信的發展。EDFA器件可以同時對多個波長的信號在光域進行全光放大，極大地減少瞭中電中繼器的應用數量。聯閤使用WDM和EDFA技術，2001年商用通信的傳輸容量已可達256×40Gb/s=10Tb/s，而中繼距離也提高到160km。
　　從上述光縴通信的四個發展階段來看，通信容量的提升離不開核心光器件與技術的發展。通信光縴從多模轉嚮單模、通信波長由800nm推進到1550nm，再到WDM與EDFA等技術的廣泛應用，都極大地推動瞭商用光縴通信網絡的升級換代。下一代光縴通信網絡如何發展成為該領域科研人員共同關注的問題之一。從2000年開始，人們不斷提齣多種方案，如光孤子通信技術等，來進一步升級現有光縴通信。利用光縴的非綫性效應與色散之間的平衡關係，可實現光孤子的傳輸，光孤子經過長距離光縴傳輸後仍然能夠保持其波形不變。孤子方案的局限性主要體現在功率和色散的控製方麵，多波長孤子傳輸過程中，不同信道之間的相互作用會劣化性能。從通信容量的發展趨勢來看，光孤子通信較低的頻譜效率也是一個很大的不足。到2010年前後，各大通信網絡運營商開始將單波長10G/40G的骨乾通信網絡升級到100G，信號調製格式則采用正交相移鍵控（QPSK）等高階調製格式，標誌著相乾光通信技術正式進入大規模商業化應用時代。
　　1.1.2 未來發展趨勢
　　互聯網的高速發展，推動瞭一係列基於網絡應用的新型産業的興起。在市場需求的拉動下，新一代網絡技術的研發從高校、研究所等傳統科研單位，擴展到通信設備、網絡運營商的研發部門，後者

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