光纤通信中的物理现象及应用实例

中国水利水电出版社

【作者】钟昆董加强著

【I S B N 】978-7-5226-3653-5

【责任编辑】张玉玲

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2025-09-01

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】256

【千字数】410

【印张】16

【定价】￥98

【丛书】

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20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪，知光解电，再小的个体都可以被赋能，追光逐电，光启未来。本书聚焦于光纤通信中两大核心现象—色散与散射，对其进行了系统、深入地研究。内容不仅涵盖超高速光纤通信系统中的偏振模色散补偿算法、基于受激布里渊散射的新型应用探索，还深入分析了光布里渊效应并提供了实用的光网络算法实例，为相关领域提供了全面、系统的研究参考。

在光纤通信系统中，承载信息的光波本身也是一种电磁波。因此，光纤信道中出现诸多物理现象，如反射、色散、散射等普遍存在于更广阔的电磁波通信领域。其中，色散和散射是两种容易混淆的物理现象，它们的机理和产生原因实际上各不相同。本书试图厘清两者的本质区别，并列举出光纤通信中色散和散射的若干应用实例，帮助读者建立从理论认知到工程解决能力的桥梁。

本书可作为电子信息工程、电子科学与技术、通信工程等相关专业本科生、研究生的课外读物，也适合光纤通信研究领域科技工作者、教师阅读使用。

光纤通信技术的崛起，让整个世界的发展变“快”了，其发展与应用对通信领域的变革可谓无与伦比。1841年，丹尼尔•克拉顿（Daniel Clatton）发现光可以通过弯曲的水流实现传导；1880年，亚历山大•贝尔（Alexander Bell）发明了“光话机”，说道：“我听到光线的笑声、咳嗽声和歌唱声”；1887年，查尔斯•博伊斯（Charles Boys）成功制作出第一根玻璃光纤；1951年，布莱恩•奥布莱恩（Brian O’Brian）提出了包层的概念；1956年，密歇根大学的一位学生基于此概念，制作出第一个玻璃包层光纤；1966年，诺贝尔物理学奖获得者、英籍华人高锟（K.C.Kao）提出了光纤通信史上具有突破性的结论—“光纤可用于通信”，因此1966年被公认为光纤通信的诞生年，光纤通信正式开始揭开序幕。

作为20世纪人类社会最伟大的技术成就之一，光纤通信技术是人类迈向信息化时代不可替代的重要基石。倘若没有光纤通信的发明，便不会有如今高度发达的信息社会，更无法想象今天的光宽带和移动互联网生活。正是这些伟大而朴实的通信技术先驱们改变了世界，改变了人类的生活方式。

1979 年，我国率先在上海、北京等地开始试验光缆通信系统，标志着光纤应用在中国正式起步；1981 年，武汉开通国内第一条实用光纤通信线路，中国光纤通信从此走出试验走进实战；1986—2000 年，我国通过持续科技攻关，建设了“八纵八横”通信光缆，从此光纤通信干线网在全国范围内覆盖；2009年，国家推动“光进铜退”计划，旨在实现“光纤到户”；截至2022年，我国光纤用户占比已经达到了94.3%，基本实现行政村光宽带全覆盖；2024年光纤入户（FTTH/O）端口数量突破11.6亿个，占互联网宽带接入端口总数的96.4%，其中10G PON端口数达2761万个。无论是在中国还是全球范围内，光纤的发明与应用给人类的生活带来了“速与质”的双重提升。

本书共分7章，第1章光纤通信中常见的物理现象的主要内容是聚焦光纤通信的物理层基础，解析色散现象和散射现象的本质及特性。第2章色散现象的主要内容是系统阐述物理中的色散现象、光纤通信中的色散现象、色散管理和光纤通信中的PMD。第3章散射现象的主要内容是重点研究物理中的散射现象、光纤通信中的散射现象以及光纤通信中的SBS及其应用。第4章超高速光纤通信系统中的色散补偿算法的主要内容是重点讲解色散补偿、色散补偿方案、电色散补偿基本算法和分析O-FDE补偿算法的鲁棒性分析。第5章超高速光纤通信系统中的偏振模色散补偿算法的主要内容是聚焦光纤通信中PMD补偿概述、光通信系统、恒模算法、CMA算法解调性能分析、两步步长优化CMA算法、提升速率边界的CMA算法、单载波PMD影响分析，以及滤波器长度对PMD的影响。第6章光纤通信中基于受激布里渊散射的应用实例的主要内容是介绍基于外差法监控的宽带SBS慢光系统、基于SBS偏振的光谱分析，以及基于SBS偏振的光滤波器设计。第7章其他光布里渊现象和光网络算法实例的主要内容是基于套接字编程的共焦布里渊光谱测试装置、共焦布里渊显微镜轴向成像特性和基于以太网无源光网络（EPON）的队列调度算法。

本书具有以下特点：

（1）理论与实践相结合：本书在阐述光纤通信中的物理现象时，既有深入的理论分析，又有丰富的应用实例，使读者能够更好地理解和掌握相关知识。

（2）内容全面：全书涵盖了光纤通信中的关键物理现象、补偿技术、算法应用等多个方面，为读者提供了一个全面的光纤通信技术学习体系。

（3）实用性强：本书针对光纤通信中的实际问题，如色散、PMD补偿等，提供了实用的解决方案和算法，具有很高的实用价值。

（4）前沿性：本书紧跟光纤通信技术发展趋势，介绍了超高速光纤通信系统、光网络算法等前沿领域的研究成果，有助于读者了解行业动态。

本书的编写得到西昌学院“两高”人才科研支持计划“博士科研启动（YBZ202107）”项目的大力支持，没有学院的资助和支持，就没有本书的编写和出版。本书内容融入了作者在博士、博士后期间及近年来相关领域的研究成果，同时参考了部分同行的研究文献，相关引用已在参考文献中列出，在此谨向各方表示最诚挚的感谢。

本书由钟昆撰写第4章、第5章、第6章、第7章正文内容，并负责统稿全书规划与修改；董加强撰写第1章、第2章、第3章正文内容，以及后记和全书拓展阅读部分的内容。由于作者学识水平有限，书中难免存在疏漏与不足之处，恳请广大读者批评指正，可以通过E-mail（kzhong@xcc.edu.cn）与作者联系。

作者

2025年4月

前言

第1章光纤通信中常见的物理现象 1
1.1 通信的发展历程 1
1.2 无线通信和光纤通信 3
1.2.1 无线通信 3
1.2.2 光纤通信 4
1.2.3 无线通信和光纤通信的比较与融合 5
1.2.4 无线通信和光纤通信的联系与区别 7
1.3 研究光纤通信中物理现象的重要性 9
1.3.1 光纤通信的基本原理与物理现象 9
1.3.2 物理现象研究对光纤通信技术创新的
影响 9
1.3.3 物理现象研究在光纤通信领域的
应用实例 10
1.3.4 未来展望与挑战 10
1.4 物理现象与OSI物理层的联系 11
1.4.1 OSI参考模型概述 11
1.4.2 物理层详解 13
1.4.3 光纤通信中的物理层介绍 14
1.4.4 光纤通信中的物理层技术 16
1.4.5 光纤通信中的物理现象与物理层的
联系 17
1.5 光纤通信中的色散现象简介 19
1.5.1 色度色散 19
1.5.2 偏振模色散 21
1.6 光纤通信中的散射现象简介 22
1.6.1 受激拉曼散射 22
1.6.2 受激布里渊散射 25
拓展阅读 27
第2章色散现象 30
2.1 物理中的色散现象 30
2.2 光纤通信中的色散现象 31
2.3 色散管理 33
2.3.1 色散管理的意义 34
2.3.2 色散管理的策略与方法 34
2.3.3 色散管理的应用实例 35
2.3.4 色散管理原理 35
2.4 光纤通信中的偏振模色散 36
2.4.1 PMD对通信系统的影响 37
2.4.2 PMD的测量与补偿 37
2.4.3 PMD的优化策略 37
2.4.4 PMD的未来展望 38
2.4.5 PMD的基础理论 38
拓展阅读 39
第3章散射现象 42
3.1 物理中的散射现象 42
3.1.1 散射现象的基本概念 42
3.1.2 散射现象的产生原因 43
3.1.3 散射现象的主要类型 43
3.1.4 散射现象在日常生活和科学研究中的
应用 44
3.2 光纤通信中的散射现象 45
3.3 光纤通信中的SBS及其应用 47
3.3.1 布里渊散射基础 47
3.3.2 布里渊散射的分类 48
3.3.3 光纤中的SBS机理 48
3.3.4 光纤中SBS的阈值 49
3.3.5 光纤中SBS的应用 49
3.3.6 光纤中SBS的抑制方法 49
3.3.7 SBS的研究进展 50
3.3.8 SBS的理论基础 50
3.3.9 光纤通信中散射现象与色散现象的
比较 51
拓展阅读 52
第4章超高速光纤通信系统中的色散
补偿算法 56
4.1 色散补偿概述 56
4.2 色散补偿方案 58
4.2.1 色散补偿光纤 58
4.2.2 光纤光栅 59
4.2.3 光学相位共轭 60
4.2.4 电色散补偿 62
4.3 电色散补偿基本算法 63
4.3.1 时域色散补偿 63
4.3.2 频域色散补偿 64
4.3.3 应用场景与比较 64
4.3.4 未来展望与挑战 65
4.4 O-FDE补偿算法的鲁棒性分析 65
拓展阅读 70
第5章超高速光纤通信系统中的偏振模色散
补偿算法 77
5.1 光纤通信中偏振模色散补偿概述 77
5.1.1 100Gb/s关键技术 77
5.1.2 100Gb/s设备及应用 78
5.1.3 100Gb/s标准简介 79
5.1.4 400Gb/s与1Tb/s发展趋势 79
5.2 光通信系统 80
5.2.1 发射机PM-QPSK调制 81
5.2.2 接收机相干检测 84
5.2.3 接收机DSP处理 87
5.3 恒模算法 88
5.3.1 偏振解复用 88
5.3.2 偏振解串扰 90
5.4 CMA算法解调性能分析 92
5.4.1 补偿边界性能分析 92
5.4.2 系统仿真平台 93
5.4.3 步长系数 94
5.4.4 色散补偿边界分析 95
5.4.5 星座图噪声分析 97
5.4.6 CMA参数分析 97
5.4.7 边界局限性特性 99
5.5 两步步长优化CMA算法 100
5.5.1 背景和原理 100
5.5.2 标准和优化CMA算法 100
5.5.3 仿真结构原理和数值模型 101
5.5.4 计算过程 103
5.5.5 结论 105
5.6 提升速率边界的CMA算法 105
5.6.1 历史 105
5.6.2 传统CMA原理 105
5.6.3 仿真系统 106
5.6.4 改进CMA算法性能 107
5.7 单载波PMD影响分析 109
5.7.1 基本原理 110
5.7.2 仿真系统 111
5.7.3 仿真结果和分析 112
5.7.4 结论 115
5.8 滤波器长度对PMD的影响 115
5.8.1 一阶PMD 115
5.8.2 二阶PMD 116
5.8.3 滤波器长度与解调性能关系 117
5.8.4 小结 119
拓展阅读 120
第6章光纤通信中基于受激布里渊散射的
应用实例 124
6.1 SBS研究情况 124
6.1.1 慢光的历史和基本原理 124
6.1.2 慢光技术的典型应用 125
6.1.3 光纤中SBS慢光 126
6.2 SBS机理 130
6.2.1 SBS到增益谱 130
6.2.2 增益谱区域的相位变化 134
6.2.3 相位变化到慢光 135
6.2.4 基于自制高非线性光纤的慢光
研究 137
6.2.5 SBS慢光延迟极限分析 139
6.3 基于外差法监控的宽带SBS慢光
系统 142
6.3.1 仪器指标要求 142
6.3.2 外差法监控部件 143
6.3.3 慢光系统及实验结果 144
6.4 基于SBS偏振的光谱分析 146
6.4.1 SBS相关的布里渊参数 146
6.4.2 用光外差法测量布里渊增益谱 151
6.4.3　基于SBS偏振的光谱分析 155
6.4.4 小结 160
6.5 基于SBS偏振的光滤波器 160
6.5.1 相位调制展宽增益谱 161
6.5.2 基于SBS偏振的光滤波 166
6.5.3 小结 168
拓展阅读 168
第7章其他光布里渊现象和光网络算法
实例 174
7.1 激光共焦布里渊光谱成像技术实例 174
7.1.1 绪论 174
7.1.2 原理 177
7.1.3 实验系统 185
7.1.4 实验和分析 192
7.1.5 结论 201
7.2 无源光网络EPON算法实例 203
7.2.1 EPON简介 203
7.2.2 NS2原理概述 207
7.2.3 仿真平台的协议栈和处理流程 208
7.2.4 仿真平台的模块 210
7.2.5 队列调度算法的研究 222
7.2.6 算法的仿真比较与测试 225
7.2.7 小结 235
7.2.8 前景展望 236
拓展阅读 236
参考文献 246
后记 247

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