本書(shū)以經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和近代光學(xué)為基礎(chǔ),系統(tǒng)論述了光纖光學(xué)的基本原理、傳輸特性、設(shè)計(jì)方法、實(shí)現(xiàn)技術(shù)及主要應(yīng)用。全書(shū)共12章,具體內(nèi)容包括: 光纖光學(xué)的基本概念、重要參數(shù)、光學(xué)及物化特性,光波在均勻光纖和漸變光纖中傳輸?shù)墓饩理論和波動(dòng)理論,單模光纖、微結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)、特性、分析方法及典型設(shè)計(jì),典型的光纖無(wú)源和有源器件分析、設(shè)計(jì)及器件發(fā)展分析,光纖光柵基本概念、關(guān)鍵因素、基本理論以及典型應(yīng)用,光纖器件的設(shè)計(jì)方法和強(qiáng)度型、干涉型及微結(jié)構(gòu)器件的研制,代表性特種光纖及其應(yīng)用,光纖技術(shù)及其發(fā)展在通信和傳感領(lǐng)域的典型應(yīng)用,光纖拉制、處理及器件研制新技術(shù),光纖特征參數(shù)測(cè)量方法及應(yīng)用; 光纖非線性效應(yīng)理論及其典型應(yīng)用等。
本書(shū)體系內(nèi)容具有創(chuàng)新性,理論與應(yīng)用并重,引入科研方法,吸納*新成果(包括作者本人及合作者的科研成果),各章附小結(jié)、思考與習(xí)題。本書(shū)可作為高等學(xué)校光電子、激光、光學(xué)儀器、物理學(xué)、信息與通信技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的研究生和本科生教材,也可作為從事光纖通信和光纖傳感技術(shù)的工程技術(shù)人員和其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的參考書(shū)。
書(shū)以經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和近代光學(xué)為基礎(chǔ),系統(tǒng)論述了光纖光學(xué)的基本原理、傳輸特性、設(shè)計(jì)方法、實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及主要應(yīng)用。具體內(nèi)容包括:光纖光學(xué)的基本概念、重要參數(shù)、光學(xué)及物化特性;光波在均勻光纖和漸變光纖中傳輸?shù)墓饩理論和波動(dòng)理論;單模光纖的性質(zhì)及分析方法;典型的光纖無(wú)源和有源器件分析與設(shè)計(jì);光纖技術(shù)在通信和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用;典型的特種光纖(包括微結(jié)構(gòu)光纖)及其應(yīng)用;光纖光柵基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論以及典型應(yīng)用;光纖特征參數(shù)測(cè)量方法及應(yīng)用;光纖非線性效應(yīng)理論及其典型應(yīng)用等。
《光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》自2012年9月第1版出版以來(lái),已在南開(kāi)大學(xué)等高校作為教材使用了10個(gè)學(xué)期。本書(shū)的編著與出版也是科研成果轉(zhuǎn)化為教材內(nèi)容、科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合的一種有益嘗試。在多年的光纖光學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,我們不斷向?qū)W界前輩請(qǐng)教并與同行密切交流,也得到了專(zhuān)業(yè)教師、高校學(xué)生以及相關(guān)領(lǐng)域科技工作者的諸多關(guān)心和大力支持,使得本書(shū)內(nèi)容不斷充實(shí)和提高,作者在此深表敬意和感謝!
作者應(yīng)清華大學(xué)出版社的邀請(qǐng),根據(jù)學(xué)科發(fā)展和教材實(shí)際需求,在吸納相關(guān)意見(jiàn)和建議的基礎(chǔ)上,對(duì)《光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》進(jìn)行修改再版。與第1版相比,第2版在綱目設(shè)計(jì)、篇章內(nèi)容、典型實(shí)例、應(yīng)用分析等方面進(jìn)行了重新梳理、調(diào)整和補(bǔ)充,形成了全新的體系和結(jié)構(gòu),力求突出“體系內(nèi)容創(chuàng)新、理論應(yīng)用并重、引入科研方法、吸納最新成果”的新特色,為讀者提供最新的科研案例及研究思路,促進(jìn)光纖光學(xué)領(lǐng)域的課題研究以及專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)績(jī)效的提高。本書(shū)第2版有關(guān)修改內(nèi)容簡(jiǎn)述如下:
(1) 將第1版的10章增加為12章,增加的兩章分別為“微結(jié)構(gòu)光纖特性及分析”和“光纖器件設(shè)計(jì)及研制”; 同時(shí),第2版調(diào)整了章節(jié)順序,使其知識(shí)體系符合內(nèi)在的邏輯自洽性。
(2) 根據(jù)新的綱目設(shè)計(jì)對(duì)部分篇章內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整,如將第1版“第7章 光纖技術(shù)及其應(yīng)用”的“7.4 典型光纖傳感器”和“7.5 特種光纖及其應(yīng)用”調(diào)整為第2版“第9章 光纖器件設(shè)計(jì)及研制”的“9.3 典型光纖器件研制”和“9.4 特種光纖及其應(yīng)用”。
(3) 根據(jù)第2版“第10章 光纖技術(shù)及其應(yīng)用”的需要,增加了“10.4 光纖新技術(shù)簡(jiǎn)介”,從光纖拉制、光纖處理和光纖器件研制3個(gè)角度簡(jiǎn)要介紹了光纖新技術(shù)。
(4) 根據(jù)第2版的章節(jié)編排需要,增加了器件圖片及實(shí)例分析,并引入專(zhuān)業(yè)科研設(shè)計(jì)和分析方法,以促進(jìn)讀者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析并解決問(wèn)題能力的提升。
(5) 光纖光學(xué)技術(shù)涉及較多專(zhuān)業(yè)縮略語(yǔ),為行文簡(jiǎn)便,本書(shū)將相關(guān)縮略語(yǔ)在書(shū)后統(tǒng)一給出,而不在正文中一一注出其英文原形。
(6) 第2版的內(nèi)容面向不同層面的讀者,試圖滿(mǎn)足對(duì)光纖光學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)、科研方法掌握、光纖課題研究以及工程應(yīng)用實(shí)踐等的不同需求,并努力使各方(如專(zhuān)業(yè)教師、高校學(xué)生以及相關(guān)領(lǐng)域科技工作者、科技管理人員等)學(xué)習(xí)或參考后均能有所裨益。
(7) 第2版對(duì)主要參考文獻(xiàn)和英文縮略語(yǔ)進(jìn)行了增補(bǔ),對(duì)行文中的不當(dāng)表述及插圖進(jìn)行了刪減、更正和補(bǔ)充。
第2版全書(shū)共12章,第1章介紹光纖光學(xué)的基本概念、重要參數(shù)、光學(xué)及物化特性,第2章闡述光纖光學(xué)的基本理論及其分析思路,第3章和第4章分別闡述均勻、漸變光纖的光線理論和波動(dòng)理論分析方法及典型應(yīng)用,第5章闡述均勻、漸變單模光纖的性質(zhì)及分析方法,第6章闡述微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、分類(lèi)、分析方法及典型設(shè)計(jì),第7章闡述典型的光纖無(wú)源和有源器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用,第8章闡述光纖光柵基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論以及典型應(yīng)用,第9章闡述光纖器件的設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)方法、研制過(guò)程以及代表性的特種光纖及其應(yīng)用,第10章闡述光纖技術(shù)在通信和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用并簡(jiǎn)介光纖新技術(shù),第11章闡述光纖特征參數(shù)的測(cè)量方法及其應(yīng)用,第12章闡述光纖非線性效應(yīng)理論及其典型應(yīng)用。
本書(shū)的修訂和增補(bǔ)工作全部由作者負(fù)責(zé),并得到教育部高等學(xué)校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目“將科研方法引入光電信息專(zhuān)業(yè)課程的研究性教學(xué)方法探索與實(shí)踐”的資助。在修改再版過(guò)程中,得到了清華大學(xué)出版社劉向威博士的大力支持,南開(kāi)大學(xué)嚴(yán)鐵毅副教授協(xié)助整理了補(bǔ)充資料,北京大學(xué)張嚴(yán)昕提出修改意見(jiàn)并校對(duì)全書(shū),作者的學(xué)生耿鵬程、陳雷、王標(biāo)、李曉蘭、白志勇、高社成、王麗、王松、張蕓山、于琳、魏石磊、薛曉琳、周權(quán)、張莉瑜、李新宇、李艷萍等以及參加本課程學(xué)習(xí)的同學(xué)提供了有益建議,在此一并表示衷心感謝。
限于作者水平,書(shū)中可能存在不足之處,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
張偉剛2017年5月于南開(kāi)園
第1章光纖光學(xué)基礎(chǔ)
1.1引言
1.2光纖基本結(jié)構(gòu)及分類(lèi)
1.2.1光纖基本結(jié)構(gòu)
1.2.2光纖典型分類(lèi)
1.2.3光纖拉制簡(jiǎn)介
1.3光纖的重要參量
1.3.1光纖的數(shù)值孔徑
1.3.2光纖的相對(duì)折射率差
1.3.3光纖的歸一化頻率
1.4光纖的光學(xué)與物化特性
1.4.1光纖的特征參數(shù)
1.4.2光纖的光學(xué)特性
1.4.3光纖的物化特性
小結(jié)
思考與習(xí)題
第2章光纖光學(xué)的基本理論
2.1引言
2.2光纖的光線理論
2.2.1程函方程
2.2.2光線方程
2.2.3光線方程的應(yīng)用
2.3光纖的波動(dòng)理論
2.3.1麥克斯韋方程組
2.3.2波動(dòng)方程
2.3.3亥姆霍茲方程
2.3.4波導(dǎo)場(chǎng)方程
2.3.5波導(dǎo)場(chǎng)的場(chǎng)解
小結(jié)
思考與習(xí)題
第3章光纖的光線理論分析
3.1引言
3.2均勻光纖的光線理論分析
3.2.1均勻光纖中的光線種類(lèi)
3.2.2子午光線的傳輸分析
3.2.3偏斜光線的傳輸分析
3.2.4彎曲光纖的光線傳輸分析
3.2.5斜端面光纖的光線傳輸分析
3.2.6圓錐形光纖的光線傳輸分析
3.3漸變光纖的光線理論分析
3.3.1漸變光纖中的光線種類(lèi)
3.3.2漸變光纖的光線方程
3.3.3漸變光纖的子午光線分析
3.3.4漸變光纖的螺旋光線分析
小結(jié)
思考與習(xí)題
第4章光纖的波動(dòng)理論分析
4.1引言
4.2均勻光纖的波動(dòng)理論分析
4.2.1徑向場(chǎng)方程
4.2.2本征解選取
4.2.3模式及分類(lèi)
4.2.4模式本征值
4.2.5色散曲線與單模條件
4.2.6弱導(dǎo)光纖與線偏振模
4.2.7均勻光纖電磁場(chǎng)分布
4.3漸變光纖的波動(dòng)理論分析
4.3.1基本方程
4.3.2平方律解析法
4.3.3WKB分析法
4.3.4級(jí)數(shù)近似法
小結(jié)
思考與習(xí)題
第5章單模光纖的性質(zhì)及分析
5.1引言
5.2均勻單模光纖分析
5.2.1模場(chǎng)精確分析
5.2.2模場(chǎng)近似分析
5.2.3功率分布分析
5.3漸變單模光纖分析
5.3.1等效階躍型光纖法
5.3.2等效平方律光纖法
5.4單模光纖的雙折射
5.4.1光纖雙折射類(lèi)型
5.4.2典型本征雙折射
5.4.3典型感應(yīng)雙折射
小結(jié)
思考與習(xí)題
第6章微結(jié)構(gòu)光纖特性及分析
6.1引言
6.2微結(jié)構(gòu)光纖分類(lèi)及特性
6.2.1微結(jié)構(gòu)光纖導(dǎo)光機(jī)制
6.2.2微結(jié)構(gòu)光纖典型分類(lèi)
6.2.3微結(jié)構(gòu)光纖特性分析
6.3微結(jié)構(gòu)光纖典型分析方法
6.3.1有效折射率模型
6.3.2全矢量分析模型
6.3.3典型全矢量分析法
6.4微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計(jì)分析
6.4.1類(lèi)六邊形空孔帶隙可調(diào)MSF
6.4.2雙波段一維單偏振單模MSF
6.4.3雙波段二維單偏振單模MSF
小結(jié)
思考與習(xí)題
第7章光纖無(wú)源和有源器件
7.1引言
7.2光纖無(wú)源器件分析
7.2.1光纖耦合器
7.2.2光纖偏振器
7.2.3光纖濾波器
7.2.4光纖隔離器
7.2.5光纖衰減器
7.2.6光纖開(kāi)關(guān)
7.2.7光纖連接器
7.3光纖有源器件分析
7.3.1光纖激光器
7.3.2光纖放大器
7.4光纖器件發(fā)展分析
7.4.1光纖無(wú)源器件發(fā)展分析
7.4.2光纖有源器件發(fā)展分析
7.4.3光纖器件技術(shù)研究方向
小結(jié)
思考與習(xí)題
第8章光纖光柵及其應(yīng)用
8.1引言
8.2光纖光柵基礎(chǔ)
8.2.1光纖光柵基本類(lèi)型
8.2.2折射率分布與反射譜
8.2.3光纖光柵制作技術(shù)
8.3光纖光柵理論
8.3.1光纖光柵典型理論
8.3.2光纖光柵基本性質(zhì)
8.3.3傳感解調(diào)關(guān)聯(lián)理論
8.4光纖光柵應(yīng)用
8.4.1光纖光柵在通信領(lǐng)域的應(yīng)用
8.4.2光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用
8.4.3光纖光柵及器件的研究方向
小結(jié)
思考與習(xí)題
第9章光纖器件設(shè)計(jì)及研制
9.1引言
9.2光纖器件設(shè)計(jì)方法
9.2.1基本設(shè)計(jì)思想
9.2.2主要設(shè)計(jì)步驟
9.2.3典型設(shè)計(jì)方法
9.3典型光纖器件研制
9.3.1光纖器件加工
9.3.2強(qiáng)度型器件研制
9.3.3干涉型器件研制
9.3.4微結(jié)構(gòu)器件研制
9.4特種光纖及其應(yīng)用
9.4.1摻雜光纖及其應(yīng)用
9.4.2塑料光纖及其應(yīng)用
9.4.3紅外光纖及其應(yīng)用
9.4.4紫外光纖及其應(yīng)用
9.4.5敏化光纖及其應(yīng)用
小結(jié)
思考與習(xí)題
第10章光纖技術(shù)及其應(yīng)用
10.1引言
10.2光纖通信技術(shù)
10.2.1光纖通信原理
10.2.2光纖通信系統(tǒng)
10.2.3多信道復(fù)用技術(shù)
10.2.4全光纖通信系統(tǒng)
10.2.5光纖通信網(wǎng)
10.3光纖傳感技術(shù)
10.3.1光纖傳感原理
10.3.2光纖傳感器建模
10.3.3光纖傳感器
10.3.4光纖傳感網(wǎng)
10.4光纖新技術(shù)簡(jiǎn)介
10.4.1光纖拉制新技術(shù)
10.4.2光纖處理新技術(shù)
10.4.3光纖器件研制新技術(shù)
小結(jié)
思考與習(xí)題
第11章光纖特征參數(shù)的測(cè)量
11.1引言
11.2光纖測(cè)量常用儀器
11.2.1光源
11.2.2光纖熔接機(jī)
11.2.3光譜分析儀
11.2.4光功率計(jì)
11.2.5光波長(zhǎng)計(jì)
11.2.6光時(shí)域反射計(jì)
11.3光纖幾何參數(shù)測(cè)量
11.3.1幾何特征參數(shù)
11.3.2測(cè)量注入條件
11.3.3典型測(cè)量方法
11.4光纖折射率分布測(cè)量
11.4.1折射近場(chǎng)法
11.4.2近場(chǎng)掃描法
11.5光纖數(shù)值孔徑測(cè)量
11.5.1遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑
11.5.2典型測(cè)量方法
11.6光纖衰減測(cè)量
11.6.1光纖衰減機(jī)理
11.6.2典型測(cè)量方法
11.7光纖色散測(cè)量
11.7.1光纖色散機(jī)理
11.7.2典型測(cè)量方法
11.8光纖模場(chǎng)直徑測(cè)量
11.8.1模場(chǎng)直徑定義
11.8.2典型測(cè)量方法
11.9高雙折射光纖拍長(zhǎng)測(cè)量
11.9.1光纖拍長(zhǎng)定義
11.9.2典型測(cè)量方法
小結(jié)
思考與習(xí)題
第12章光纖非線性效應(yīng)及其應(yīng)用
12.1引言
12.2光纖非線性效應(yīng)
12.2.1光纖的非線性效率
12.2.2光纖的非線性特性
12.3光脈沖傳輸方程
12.3.1非線性介質(zhì)中的波動(dòng)方程
12.3.2分析法推導(dǎo)光脈沖傳輸方程
12.3.3因素法推導(dǎo)光脈沖傳輸方程
12.3.4光脈沖傳輸方程的簡(jiǎn)化形式
12.4光纖光孤子及其應(yīng)用
12.4.1光纖中的光孤子
12.4.2光纖中光孤子的傳輸
12.4.3光孤子通信關(guān)鍵技術(shù)
12.4.4光孤子通信應(yīng)用展望
小結(jié)
思考與習(xí)題
參考文獻(xiàn)
附錄A英文縮略語(yǔ)
第5章
CHAPTER 5
單模光纖的性質(zhì)及分析
本章首先對(duì)單模光纖的特點(diǎn)進(jìn)行概要闡述,然后對(duì)均勻單模光纖進(jìn)行分析,最后對(duì)漸變折射率單模光纖進(jìn)行分析。
5.1引言
單模光纖(SMF)是指在一定工作波長(zhǎng)下只傳輸基本模式HE11或LP01的光纖。單模光纖具有極小的色散和極低的損耗,一根單模光纖可傳輸達(dá)幾千兆赫茲帶寬的信息,無(wú)中繼距離可達(dá)上千千米,在陸地和海底跨洋通信中已成為不可替代的傳輸線,并將在相干光纖通信系統(tǒng)中起十分重要的作用。另一方面,利用單模光纖的結(jié)構(gòu)特性、物化特性以及傳輸特性等,可以研制出諸如光纖耦合器、光纖偏振器、光纖濾波器、光纖隔離器、光纖光開(kāi)關(guān)以及光纖光柵等光無(wú)源器件; 而利用其非線性效應(yīng),還可研制光纖激光器、光纖放大器等光有源器件,并應(yīng)用于測(cè)量和信息處理等。此外,單模光纖中基模的振幅、相位、偏振等參數(shù)對(duì)于各種外界物理量(如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等)極為敏感,利用這種敏感特性,可以設(shè)計(jì)并研制出靈敏度極高的各種光纖傳感器。與多模光纖相比,單模光纖主要有以下特點(diǎn)。
(1) 芯徑和折射率差小。
單模光纖的芯徑和折射率差比多模光纖要小一些,二者滿(mǎn)足如下數(shù)學(xué)關(guān)系:
V=ak0n21-n22≤2.405(5.1)
單模光纖的纖芯直徑約為10μm。
(2) 色散效應(yīng)低。
由于單模光纖只傳輸基模,幾乎沒(méi)有模失真,因此它的模間色散比多模光纖要小得多。實(shí)際的單模光纖(熔石英光纖)的色散值要比多模光纖的色散值小一兩個(gè)數(shù)量級(jí),因而具有更大的帶寬距離積,可達(dá)幾十吉赫茲千米。
(3) 雙折射現(xiàn)象。
雙折射是單模光纖與多模光纖的最大區(qū)別。多模光纖由于存在的模式極多,各模式之間的偏振問(wèn)題并不重要。但對(duì)單模光纖而言,由于實(shí)際上它包含兩個(gè)相互正交的偏振模,因而模式的偏振態(tài)在傳輸過(guò)程中的變化是一個(gè)極為重要的問(wèn)題。目前,光纖光學(xué)中的一個(gè)新分支——偏振光學(xué)正在形成之中。
單模光纖的結(jié)構(gòu)一般是多層的,其橫截面的折射率分布種類(lèi)很多,可用如下形式表述:
n2(r)=n211-2Δrag(0≤r≤a)
n22(r>a)(5.2)
式中,Δ是相對(duì)折射率差,n1>n2,g是折射率分布參數(shù),它決定了折射率分布曲線的形狀。當(dāng)g=∞,2,1時(shí),分別對(duì)應(yīng)于階躍折射率分布、平方律分布和三角分布的光纖。
本章將對(duì)單模光纖的特點(diǎn)和基本性質(zhì)、均勻單模光纖和漸變單模光纖中的模場(chǎng)進(jìn)行討論。
5.2均勻單模光纖分析
5.2.1模場(chǎng)精確分析
5.2.1.1場(chǎng)的基模分析
均勻單模光纖是指折射率呈理想階躍型分布的光纖,即光纖是理想的圓柱光波導(dǎo)。只要滿(mǎn)足式(5.1),這種光纖只適合傳輸基模,即兩個(gè)HE11模。這兩種模式具有相
……