现代通信光电子学（第五版）

　　本书是光电子学领域权威著作，是《光电子学》的最新版本，即第五版。本版反映光电子学领域的最新进展。本书主要介绍激光物理学领域各种现象和所有器件的最基本原理，尤其突出各种激光器在光纤通信中的应用，同时本书还附有大量习题和生动实例。该版本新增加的内容包括：光纤中脉冲的色散和压缩，半导体激光器的高速调制，垂直腔表面发射激光器，量子光学，全息数据存储，光纤光栅，DFB激光器等。本书既可作为高等院校光电专业核心教材，也可作为从事实际工作的工程技术人员的参考用书。译者序现代通信光电子学是当前高科技发展的重要领域，以它为基础的光通信技术发展十分迅速，对人类社会和生活的各个方面产生了广泛和深远的影响。现代通信光电子学也是处于发展中的光信号处理和光计算技术的基础。本书根据A.亚里夫先生《现代通信光电子学》即以前出版的《光电子学》的最新版本（第五版）译出。该书反映了光电子领域的最新进展，全书共有20章和4个附录。其中第1～3章是学习光电子学必需具备的基础知识。第4～7章及第15～16章是关于激光器的基本理论、结构、常用激光器，以及光通信中应用的新型激光器。第8章和第17～19章着重讨论各种非线性光学问题。第9章和第12章讨论光束的调制问题。第10～11章是关于光探测及其噪声的理论。本书对光电子学诸领域进行了较全面而系统的论述，全书结构严谨，基本概念清晰。在每个理论单元后面均有数值例子，可使读者加深对理论的理解，为解决理论问题提供帮助。每章后都列出了参考文献，并附有习题。本书已被视为光电子学领域具有权威性的奠基性著作，既可作为高等院校电子科学与技术、电子信息科学与技术、电子信息工程、微电子学及应用物理学等本科专业和光学工程、物理电子学、固体电子与微电子学、电磁场与微波技术及通信与信息系统等研究生专业的教材或参考书，也可供从事实际工作的工程师作为一本有价值的参考书。本书的翻译是一项艰巨的任务，感谢电子工业出版社和南京邮电学院光信息技术系的支持和帮助。本书对常用名词的翻译，按照1996年全国自然科学名词审定委员会公布的《物理学名词》进行校核。在翻译中我们参考了下列书目：1.A.亚里夫著，刘颂豪、吴存恺、王明常译.量子电子学.上海科技出版社，1983.102.A.亚里夫著，李宗琦译，高鼎三校.光电子学导论.科学出版社，1983.13.朱祖华编著.信息光电子学基础.浙江大学出版社，1990.74.董孝义编著.光波电子学.南开大学出版社，1987.115.周文、陈秀峰、杨冬晓编著.光子学基础.浙江大学出版社，2000.1对上述作者表示衷心的感谢。本书翻译中，施伟华翻译了第4～7章及第15～16章；容经雄翻译了第8～10章；张力翻译了第11～13章；陈鹤鸣翻译了第1～3章、第14章、第17～20章及附录并校阅了全书；巩玉洁和张亚玲做了大量的辅助工作。由于译者水平有限，译文中仍有不妥之处，恳请广大读者批评指正。译者2004年5月于南京第五版前言"众多事物中，重视那些美好的，保留那些有用的，摈弃那些两者皆不具备的。"在选择新一版内容的过程中，我试着遵循上文所引用的我在以色列军队时军士长（他的名字我已经忘了）在我们准备奔赴战场之前的忠告。于是我将材料限于我认为完美的或是重要的或是两者兼备的内容范围内。读者们对于每个范畴的内容都有自己的取舍，希望能够与我的相同。第五版保留了第四版中的大部分内容，并加入了大量新的内容。这些变化反映了光通信作为最重要的通信技术的持续优势。在新一版中，书的重心明显转向了低能量、与通信相关的选题，所以我们将书名改为《现代通信光电子学》更为合适。这一版的主要新特点为：1.将传递函数傅里叶变换形式用于处理光纤中的脉冲传播；2.包含时间透镜的脉冲和光束传播的时空等价性；3.光纤中脉冲展宽的色散补偿；4.利用克拉默斯克勒尼希（KramersKroning）关系式对极化率（χ′（ν）和χ″（ν））的新的处理方法。克拉默斯克勒尼希（KramersKroning）关系式的推导；5.大幅改动了对于分布式反馈激光器的讨论，包括对增益耦合激光器的处理；6.半导体激光器的动态啁啾；7.垂直腔半导体激光器；8.新的一章关于孤子的内容，包括非线性光纤传播方程的基本原理推导；9.增加一章新内容包括：对量子光学和量子噪声的经典处理，光学测量法推理，散粒噪声，以及在传统界限以下由参变量放大实现振幅涨落的"压缩"。再次申明，使用本书的学术要求与第四版前言中提及的相同。我很感激JanaMercado女士和MaryEleanorJohnson女士帮助录入和编辑。JohnKitching，WilliamMarshall，JohnO''''Brien和MattMcAdams在专业技术上给予我很大帮助。我深深感谢AliAdibi先生在重新推导主要计算结果上花费的不计其数的时间。他所改正的错误和矛盾之处对于本书内容的严谨和相对零错误起了很大帮助。AmnonYariv帕萨迪纳，加利福尼亚1996年6月第四版前言第三版《光电子学》面世后的五年中，该领域在技术上发生了重大发展，出现一些主要趋势。这些重要发展有：1.光纤通信确立了在通信技术中的重要地位；2.半导体激光器，特别是长波长GaInAsP/InP半导体激光器成为高速数字光纤通信系统的主要光源；3.量子阱半导体激光器开始取代传统激光器用于高速长距离数字通信，其他大部分复杂应用包括超低阈值激光器和锁模激光器；4.由于对远程传输和大范围光分布系统的影响，光纤放大器引起了光纤通信的小型革命。新的发展不断积累，以至于我在Caltech进行我1989年的最后一次授课时，发现自己使用的一部分课程材料并不包括在本书的内容之内。第四版包含了这一部分内容。在第三版基础上增加的内容包括一些主要的修正和新的章节，其内容为：1.琼斯计算及其在法拉第效应中的扩展；2.辐射测量和红外检测；3.光纤放大器及其对光纤通信线路的影响；4.激光阵列；5.分布反馈激光器，包括具有相移面的多元素激光器；6.量子阱和超低阈值半导体激光器；7.光折变晶体和动态全息术及图像处理中的双光束耦合；8.受激布里渊散射中的双光束耦合和相位共轭；9.半导体激光器的强度涨落和相干性及其对光纤通信系统的影响。本书依然是针对那些对光辐射的产生与控制及其怎样用于信息传输感兴趣的学生。在Caltech，差不多相同比例的电子工程专业、物理专业和应用物理专业的学生都选择了这门课程。其中一半是毕业班学生，其余均为研究生。在Caltech学习这门课程的先决条件是：充分掌握电磁学基础，一般先修过一年该领域的课程，并具有原子物理的基本入门知识。本书之所以能够传递下去并极具研究风味，很大程度上归功于那些来访者、能干的学生和博士后们，他们不断向我提供他们的最新发现和思考。这一版内容涵括了以下各位被公认的及未被公认的来稿：ChrisHarder，KerryVahala，EliKapon，KamLau，PamelaDerry，IsraelUry，NadavBarChaim，HankBlauvelt，MichaelMittelstein，LarsEng，NormanKwong，ShuWuWu，BinZhao和RudyHoffmeister。Caltech1987年至1989年应用物理130班和131班协助校对并保证了排版的清晰。我的妻子Fran和我的行政助手JanaMercado负责录入和编辑。感谢她们和上面提及的所有人。AmnonYariv帕萨迪纳，加利福尼亚1991年1月

　　AmnonYariv：加州理工学院电子工程系和应用物理系教授，光电子学的创始人之一，美国国家工程院和国家科学院院士，ORTEL公司的创始人之一和董事会主席。在他的指导下，加州理工学领域中最富有成果和最具创造性的研究机构。

第1章  电磁理论    1.0  引言    1.1  复函数体系    1.2  电磁场能量和功率的考虑    1.3  各向同性介质中波的传播    1.4  晶体中波的传播——折射率椭球    1.5琼斯计算及其在双折射晶体光学系统中的应用    1.6  电磁波的衍射    习题    参考文献    第2章  光线和光束的传播    2.0  引言    2.1  透镜波导    2.2  光线在反射镜面间的传播    2.3  在类透镜介质中的光线    2.4平方律折射率介质中的波动方程    2.5均匀介质中的高斯光束    2.6在类透镜介质中的基模高斯光束——ABCD定律    2.7在透镜波导中的高斯光束    2.8在均匀介质中的高斯光束高阶模    2.9  在平方律折射率变化的介质中的高斯光束的高阶模    2.10  光波在二次型增益分布介质中的传播    2.11  椭圆高斯光束    2.12  傍轴A，B，C，D系统的衍射积分    习题    参考文献    第3章  光束在光纤中的传输    3.0引言    3.1圆柱坐标系中的波动方程    3.2阶跃折射率圆波导    3.3线偏振模    3.4  光纤中的光脉冲传输与脉冲展宽    3.5群速度色散的补偿    3.6空间衍射与时间色散的类比    3.7硅光纤中的损耗    习题    参考文献    第4章  光学共振腔    4.0  引言    4.1  法布里珀罗标准具    4.2用作光谱分析仪的法布里珀罗标准具    4.3球面镜光学共振腔    4.4模的稳定性判据    4.5广义共振腔中的模式——自洽法    4.6光共振腔中的共振频率    4.7光学共振腔中的损耗    4.8光学共振腔——衍射理论方法    4.9模耦合    习题    参考文献    第5章  辐射和原子系统的相互作用    5.0  引言    5.1原子能级之间的自发跃迁——均匀增宽和非均匀增宽    5.2  受激跃迁    5.3  吸收和放大    5.4  χ′(ν)的推导    5.5χ(ν)的物理意义    5.6  均匀激光介质中的增益饱和    5.7非均匀激光介质中的增益饱和    习题    参考文献    第6章  激光振荡理论及其在连续区和脉冲区的控制    6.0  引言    6.1  法布里珀罗激光器    6.2  振荡频率    6.3  三能级和四能级激光器    6.4  激光振荡器的功率    6.5  激光振荡器的最佳输出耦合    6.6  多模激光振荡器和锁模    6.7  在均匀增宽激光系统中的锁模    6.8  脉冲宽度的测量和啁啾脉冲的收缩    6.9  巨脉冲(调Q)激光器    6.10  多普勒增宽气体激光器中的烧孔效应和兰姆凹陷    习题    参考文献    第7章  一些特殊的激光器系统    7.0  引言    7.1  抽运与激光器效率    7.2  红宝石激光器    7.3掺钕钇铝石榴石（Nd3+：YAG）激光器    7.4掺钕玻璃激光器    7.5氦氖（HeNe）激光器    7.6  二氧化碳激光器    7.7  氩离子（Ar+）激光器    7.8  激基分子激光器    7.9  有机染料激光器    7.10气体激光器的高压操作    7.11  掺铒硅基激光器    习题    参考文献    第8章  二次谐波产生与参变振荡    8.0  引言    8.1  非线性极化的物理起源    8.2  非线性介质中波传播的公式    8.3光的二次谐波产生    8.4激光共振腔内的二次谐波产生    8.5  二次谐波产生的光子模型    8.6  参变放大    8.7参变放大的相位匹配    8.8  参变振荡    8.9  参变振荡的频率调谐    8.10  光参变振荡器中的输出功率和抽运饱和    8.11  频率上转换    8.12准相位匹配    习题    参考文献    第9章  激光光束的电光调制    9.0  引言    9.1  电光效应    9.2电光相位延迟    9.3电光振幅调制    9.4  光的相位调制    9.5  横向电光调制器    9.6高频调制的考虑    9.7  光束的电光偏转    9.8  电光调制——耦合波分析    9.9相位调制    习题    参考文献    第10章  光产生和光探测中的噪声    10.0  引言    10.1  噪声功率引起的限制    10.2  噪声——基本定义和定理    10.3一列随机发生的事件的谱密度函数    10.4  散粒噪声    10.5  热噪声(约翰逊噪声)    10.6  激光振荡器中的自发辐射噪声    10.7  激光线宽的相矢量推导    10.8  相干与干涉    10.9二进制脉码调制系统中的误码率    习题    参考文献    第11章  光辐射的探测    11.0  引言    11.1  光激励跃迁速率    11.2  光电倍增管    11.3  光电倍增管中的噪声机制    11.4  光电倍增管的外差探测    11.5  光电导探测器    11.6pn结    11.7半导体光电二极管    11.8雪崩光电二极管    11.9激光器的功率涨落噪声    11.10红外成像和本底受限探测    11.11光纤线路中的光放大    习题    参考文献    第12章  光和声的相互作用    12.0  引言    12.1  声波对光的散射    12.2声波对光产生的布拉格衍射的粒子图像    12.3声波对光产生的布拉格衍射的分析    12.4声光偏转    习题    参考文献    第13章光学电介质波导——周期性波导中的模传播和模耦合    13.0  引言    13.1  波导模——一般性的讨论    13.2  非对称平板波导中的TE模和TM模    13.3  耦合模的微扰理论    13.4  周期性波导    13.5  耦合模的解    13.6  用作光滤波器与反射器的周期性波导——周期性光纤    13.7  电介质波导中的电光调制和模式耦合    13.8  定向耦合    13.9  耦合波导系统的本征模（超模）    13.10  激光器阵列    习题    参考文献    第14章全息术和光学数据存储    14.0  引言    14.1  全息术的数学基础    14.2  体积全息图的耦合波分析    习题    参考文献    第15章半导体激光器——理论及应用    15.0  引言    15.1  半导体物理基础知识    15.2  半导体（激光器）介质内的增益和吸收    15.3  GaAs/Ga1－xAlxAs激光器    15.4  一些实际的激光器结构    15.5  半导体激光器的直流调制    15.6  电流调制半导体激光器中的增益抑制和频率啁啾    15.7  集成光电子学    习题    参考文献    第16章先进半导体激光器——量子阱激光器、分布反馈激光器    和垂直腔表面发射激光器    16.0  引言    16.1  量子阱内的载流子（高级选题）    16.2  量子阱激光器的增益    16.3  分布反馈激光器    16.4  垂直腔表面发射半导体激光器    习题    参考文献    第17章  相位共轭光学的理论与应用    17.0  背景知识介绍    17.1  畸变校正定理    17.2  相位共轭波的产生    17.3  相位共轭光学的耦合模公式    17.4  一些相位共轭的实验    17.5  具有相位共轭反射镜的光学共振腔    17.6  相位共轭光共振腔的ABCD定律    17.7  激光共振腔内的动态畸变校正    17.8  相位共轭光学的全息模拟    17.9  畸变介质的成像    17.10  应用四波混频的图像处理    17.11  光纤色散补偿    习题    参考文献    第18章  光折变介质中的双光束耦合和相位共轭    18.0   引言    18.1  固定光栅中的双光束耦合    18.2  光折变效应——双光束耦合    18.3  光折变自抽运相位共轭    18.4  光折变振荡器的应用    习题    参考文献        第19章  光孤子    19.0   引言    19.1  孤子的数学描绘    习题    参考文献    第20章  量子光学、量子噪声和压缩态的经典处理    20.0  引言    20.1  量子不确定度趋于经典形式    20.2  光场的压缩态        参考文献    附录A  克拉默斯克勒尼希（KramersKronig）关系    附录B  立方43m晶体中的电光效应    附录C  行波激光放大器中的噪声    附录D  利用薄透镜实现相干电磁场的变换    索引