光纤通信系统与网络（修订版）.pdf

电子信息与电气学科规划教材 光纤通信系统与网络（修订版）胡 庆 张德民 胡 敏 王敏琦 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书系统阐述了现代光纤通信系统与网络所包含的主要相关部分的基本构成、基本原理、基本概念、基本理论、基本性能指标及特性特点。包括当前广泛应用的典型光纤通信系统的原理、光纤传输原理及传输特性、基本光纤通信器件原理及性能指标、光纤通信系统及设计、SDH 光同步数字传输网络、基于 SDH 的多业务传送平台 MSTP、DWDM/WDM 光传输网络、光纤接入网、EPON 系统结构及原理、高速光纤计算机网及全光通信网等内容。并且特别注重以形象直观的图表形式来配合文字叙述。全书注重理论与实践、设计与工程的结合，精选了一些当前最新的应用实例进行分析，有助于读者学习。为了配合教学和学习，每章都精选一定数量的习题。可供科研、教学和工程技术人员参考，也可作为各高等院校工科通信与信息工程类专业课教材。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 光纤通信系统与网络胡庆等编著.修订本.北京：电子工业出版社，2010.8 电子信息与电气学科规划教材 ISBN 978-7-121-11578-3.光 .胡 .光导纤维通信系统高等学校教材 光纤通信通信网高等学校教材.N929.11 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 157578 号 责任编辑：竺南直 特约编辑：郭 莉 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：15.5 字数：396 千字 印 次：2010 年 8 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：25.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。修订版前言 信息传输是信息社会的三大标志之一，“光纤传输技术”的发展，决定着“整个通信网络”的发展。在当今提出“三网融合”的信息高速网路发展中，光纤通信系统与网络又一次进入了现代光纤传输网络的建设高潮。为了适应光纤通信技术发展的快速性，知识更新强烈的需求性，作者融合了近十年的教学经验、多年的工程实践以及光纤通信发展多样化而重新修订本教材。在教材修订编写过程中，主编人员一直注重教学与科研相长，将科研成果融入教材中，确保教材的前沿性、科学性和系统性。本次重点增加了反映当前新技术的光纤 PMD特性以及 PMD 影响高速光纤系统传输中继段长计算，DWDM 中继段长计算，基于 SDH 的多业务传送平台 MSTP 原理与应用，光纤接入网中 APON,GPON,EPON 接入技术，全光通信网相关内容等。力求给读者一个比较全面、系统从理论到实际的光纤通信系统与网络的完整框架。本书比较全面、系统地讲述了现代光纤通信系统的基本原理、基本技术、系统设计和光纤通信网络。全书共 9 章：第 1 章介绍光纤通信系统与网络的组成、特点、发展简史、现状和发展趋势；第 2 章介绍光纤传输原理及传输特性，包括光纤的结构、类型、导光原理、传输特性及非线性效应；第 3 章介绍光纤通信的基本器件，包括光有源器件和光无源器件原理、特性和参数；第 4 章介绍光纤通信系统及设计方法，内容包括光发射机、光接收机以及光中继器的组成，PDH 和 SDH 系统指标分配和系统设计等；第 5 章介绍 SDH 光同步数字传输网络；第 6 章讨论 DWDM/WDM 光传输网络；第 7 与第 8 章分别介绍光纤接入网及 APON,GPON,EPON 接入技术和高速光纤计算机网；第 9 章介绍全光通信网，包括全光通信网的结构、光交换技术、自动交换光网络（ASON）等。本书前 8 章由胡庆编写，第 7 章张德民修订，第 8 章由胡敏修订、第 9 章由王敏琦、胡庆编写。全书由胡庆统稿，由张德民审核。在全书编写期间得到了严常青、张毅、杨晓波、刘鸿、李季碧、夏仙等同志的大力协助，在此一并表示感谢。为适应当前高校课程门类多、课时压缩的教学特点，本书在概念和原理的讲述上力求严谨、准确、精练，理论适中，注重实用，主要面向工科院校，尽量少用繁杂的数学推导。本书可作为高等学校通信工程、电子信息工程、信息工程、电子信息科学与技术以及其他电子信息类专业本科生教材，也可供研究生、科技工作者和工程技术人员参考。由于编著者水平有限，书中难免存在疏漏和错误，恳请读者批评指正。编著者 2010 年 7 月 V 目 录 第 1 章 概论.1 1.1 光纤通信的发展简况.1 1.1.1 光纤通信的特点.1 1.1.2 光纤通信的发展简史.3 1.2 光纤通信系统及发展现状.5 1.2.1 光纤通信系统模型.5 1.2.2 光纤通信系统的现状.5 1.3 光纤通信网络及现状.7 1.3.1 通信网概念.7 1.3.2 光纤通信网络模型.8 1.3.3 光纤通信网络现状.8 1.4 光纤通信发展趋势.11 1.4.1 光纤、光缆发展趋势.11 1.4.2 光纤通信系统发展趋势.11 1.4.3 光纤通信网络发展趋势.12 习题.13 第 2 章 光纤传输原理及传输特性.14 2.1 光纤和光缆的结构及类型.14 2.1.1 光纤结构及类型.14 2.1.2 光缆结构及类型.18 2.1.3 光缆型号、规格及特性.19 2.2 光纤传输原理分析.22 2.2.1 射线理论分析光纤的传输原理.22 2.2.2 波动理论分析光纤的传输原理.26 2.3 光纤的结构参数.33 2.3.1 几何参数.33 2.3.2 折射率分布和数值孔径.33 2.3.3 模场直径.34 2.3.4 截止波长.34 2.4 光纤的传输特性.35 2.4.1 损耗特性.35 2.4.2 色散特性和带宽.38 2.4.3 光纤双折射及偏振特性.42 2.4.4 光纤的非线性效应.44 VI 习题.47 第 3 章 光纤通信基本器件.48 3.1 光源器件.48 3.1.1 半导体激光器的结构及原理.48 3.1.2 分布反馈式和可调谐式半导体激光器.55 3.1.3 半导体激光器的主要特性.58 3.1.4 半导体发光二极管（LED）.61 3.1.5 半导体发光二极管的主要特性.62 3.2 光检测器件.63 3.2.1 PD 光电二极管.63 3.2.2 PIN 光电二极管.64 3.2.3 APD 雪崩光电二极管.65 3.2.4 光电二极管的主要特性.66 3.3 光纤放大器（EDFA）.69 3.3.1 EDFA 的结构及原理.70 3.3.2 EDFA 的主要特性.71 3.4 光纤连接器件.74 3.4.1 光纤连接器的结构与种类.74 3.4.2 光纤连接器的主要性能指标.75 3.4.3 影响光纤连接损耗的因素.76 3.5 光分路耦合器和波分复用器.77 3.5.1 光分路耦合器.77 3.5.2 波分复用器和解复用器.79 3.6 光隔离器与光环行器.84 3.6.1 光隔离器.84 3.6.2 光环行器.85 3.7 光衰减器和光开关.86 3.7.1 光衰减器.86 3.7.2 光开关.86 3.8 偏振控制器和光调制器.88 3.8.1 偏振控制器.88 3.8.2 光调制器.89 习题.90 第 4 章 光纤通信系统及设计.91 4.1 两种数字传输体制.91 4.1.1 准同步数字体系 PDH.91 4.1.2 同步数字体系 SDH.92 4.2 光发射机.93 VII 4.2.1 光源直接强度调制.93 4.2.2 光发射机的构成及原理.94 4.2.3 光发射机的主要性能指标.101 4.3 光接收机.102 4.3.1 光接收机的结构及原理.102 4.3.2 光接收机的噪声分析.105 4.3.3 光接收机的主要性能指标.107 4.4 光中继器.109 4.5 系统的性能指标.110 4.5.1 系统的参考模型.110 4.5.2 系统的性能指标.111 4.6 光纤通信系统的设计.117 4.6.1 系统的总体考虑.117 4.6.2 系统传输中继段长的估算.118 习题.122 第 5 章 SDH 光同步数字传输网络.124 5.1 SDH 传输体制的基本概念.124 5.1.1 基本概念与帧结构.124 5.1.2 SDH 的段开销字节.126 5.1.3 SDH 的复用映射结构.127 5.2 SDH 的基本网络单元设备.129 5.2.1 终端复用器 TM 和分插复用器 ADM.130 5.2.2 再生中继器（REG）.131 5.2.3 数字交叉连接设备（DXC）.131 5.3 SDH 网络结构与保护.131 5.3.1 传送网的分层与分割.131 5.3.2 SDH 网络结构.134 5.3.3 SDH 网同步的概念.136 5.3.4 SDH 自愈环网原理.138 5.3.5 SDH 网络管理.141 5.4 基于 SDH 的多业务传送平台 MSTP.142 5.4.1 MSTP 的功能块模型及优势.143 5.4.2 MSTP 技术应用.145 习题.146 第 6 章 DWDM/WDM 光传输网络.148 6.1 DWDM 系统构成模型.148 6.1.1 波分复用基本概念.148 6.1.2 DWDM 在传输网中的定位.149 VIII 6.1.3 DWDM 系统构成模型.150 6.1.4 实用 DWDM 系统的构成.151 6.1.5 DWDM 系统的主要器件.153 6.2 DWDM 基本网络单元设备.156 6.2.1 光终端复用设备（OTM）.156 6.2.2 光线路放大设备（OLA）.161 6.2.3 光分插复用设备（OADM）.162 6.2.4 光交叉连接设备（OXC）.163 6.3 DWDM 网络结构与保护.164 6.3.1 光传送网的分层.164 6.3.2 DWDM 网络结构.166 6.3.3 DWDM 自愈环网原理.167 6.3.4 DWDM 网络管理.170 6.4 DWDM 光网络在长途干线的应用.172 习题.173 第 7 章 光纤接入网.175 7.1 光纤接入网的基本概念.175 7.1.1 接入网的界定与分层.175 7.1.2 光纤接入网基本网元设备.179 7.1.3 光纤接入网的拓扑结构.184 7.2 无源光网络（PON）接入网.185 7.2.1 PON 的种类.185 7.2.2 APON,GPON,EPON 接入技术比较.187 7.3 EPON 系统结构及原理.188 7.3.1 EPON 系统结构.188 7.3.2 EPON 系统的工作原理.189 7.3.3 EPON 帧结构.190 7.3.4 EPON 关键技术.191 7.3.5 EPON 基本网络单元设备.193 7.4 光纤接入网的应用.195 7.4.1 PON 接入网应用.195 7.4.2 TDD+TDM+TDMA 的 PON 的 OAN.196 7.4.3 混合拓扑结构的 HONET 接入网.197 习题.199 第 8 章 高速光纤计算机网.200 8.1 光纤局域网概述.200 8.1.1 光纤局域网特点.201 8.1.2 光纤局域网拓扑结构与协议体系结构.201 IX 8.1.3 光纤局域网的组成及基本设备功能.203 8.2 光纤分布式数据接口（FDDI）环网.208 8.2.1 FDDI 的技术特点及网络结构.208 8.2.2 FDDI 双环自愈网.209 8.2.3 FDDI 技术在校园主干网的应用.210 8.3 高速光纤以太网.211 8.3.1 100 Mb/s 光纤以太网.211 8.3.2 1 000 Mb/s 光纤以太网.211 8.3.3