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光波技术基础
作者：延凤平，任国斌，王目光 等 著
出版社：清华大学出版社
出版时间：2018-11-01
ISBN：9787512137585
定价：¥56.00
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内容简介
本书根据现代光通信和光传感技术的需求，较深入和系统地论述了光纤和光电子器件的有关理论和技术。本书由10章组成，内容涵盖了光通信技术的发展，若干基础技术手段和器件，光纤的基本理论、传输特性及制造工艺，无源光器件，光纤光栅，激光器，电光调制器，光探测器，光纤放大器和光纤测量等知识。本书在内容上强调系统性、可读性、先进性和实用性，深入浅出进行启发式阐述，注重物理概念与实际应用相结合。 本书可作为高等院校通信工程及相关专业本科生、研究生的教材，也可作为从事光纤技术的科研工作者和工程技术人员的参考资料。
作者简介
延凤平，2003年获第六届詹天佑铁道科学技术奖－北京交通大学专项基金奖； 2004年度获第八届茅以升北京青年科技奖； 2006年主编的研究生教材《光纤通信系统》（中国科学出版社）获2008年北京市精品教材奖。中国通信学会光通信委员会委员，中国电子学会通信学分会光通信专家委员会委员，北京光学学会理事。
目录
第1章 绪论 1
1.1 光通信技术的发展 1
1.1.1 光通信器件的发展 2
1.1.2 光纤通信系统的演进 3
1.2 光通信基础 5
1.2.1 复接与分插 5
1.2.2 准同步数字体系与同步数字体系 6
1.2.3 数字光纤通信系统 7
1.3 光通信技术优势和特点 9
1.4 光通信技术未来展望 10
习题 11
第2章 光纤波导理论基础 12
2.1 光纤的基本结构与分类 12
2.1.1 光纤的基本结构与导波原理 12
2.1.2 全反射相移、穿透深度和Goos-H?nchen位移 16
2.1.3 光纤折射率分布的类型 21
2.1.4 单模光纤与多模光纤 23
2.2 光波导的一般理论 24
2.2.1 光波导的一般理论与性质 24
2.2.2 模式 27
2.3 阶跃折射率光纤 32
2.3.1 概述 32
2.3.2 矢量模 34
2.3.3 标量法与线偏振模 37
2.3.4 阶跃折射率光纤的模式求解 40
2.4 单模光纤 63
2.4.1 概述 63
2.4.2 单模光纤的基本性质 64
2.4.3 功率限制因子、模场直径与有效面积 67
习题 72
第3章 光纤传输特性 75
3.1 光纤损耗 75
3.1.1 光纤损耗概述 75
3.1.2 光纤损耗的种类及特点 76
3.1.3 弯曲损耗 80
3.1.4 光纤损耗性能的改善技术 82
3.2 光纤色散 83
3.2.1 色散概述 83
3.2.2 光脉冲的色散展宽 89
3.2.3 单模光纤中的色散 97
3.2.4 光纤的分类与ITU ? T建议 101
3.3 光纤中的非线性效应 105
3.3.1 非线性传输方程 106
3.3.2 自相位调制 113
3.3.3 交叉相位调制 117
3.3.4 四波混频 122
3.3.5 受激非弹性散射 127
3.3.6 光纤中的光学孤立子 130
习题 133
第4章 光纤制造技术与特种光纤 135
4.1 光纤制造技术及光缆 135
4.1.1 光纤制造技术 135
4.1.2 光缆 139
4.2 特种光纤 141
4.2.1 特种光纤概述 141
4.2.2 保偏光纤 142
4.2.3 稀土掺杂光纤 144
4.2.4 色散补偿光纤 146
4.2.5 光子晶体光纤 147
4.2.6 大模场面积光纤 150
4.2.7 多芯光纤与少模光纤 152
习题 157
第5章 无源光器件 158
5.1 概述 158
5.2 基本无源光器件 158
5.2.1 连接器 158
5.2.2 衰减器 161
5.2.3 隔离器 164
5.2.4 光环行器 167
5.2.5 波分复用器 168
5.3 光纤耦合器 170
5.3.1 X型（2 × 2）光纤耦合器的基本工作原理 171
5.3.2 X型（2 × 2）光纤耦合器制作方法 172
5.3.3 X型（2 × 2）光纤耦合器的指标 172
5.3.4 光纤熔融拉锥耦合器的应用实例 173
5.3.5 光纤熔融拉锥耦合器用于波分复用 174
5.3.6 光纤熔融拉锥耦合器用于构成马赫 ? 曾德尔干涉仪 176
5.4 PLC光耦合器 177
5.4.1 PLC 光耦合器的分类 178
5.4.2 1 × N PLC光分路器的工作原理 178
5.4.3 PLC 光分路器的制作工艺 180
5.4.4 PLC光分路器主要指标 181
5.5 阵列波导光栅 182
5.5.1 AWG的发展现状 182
5.5.2 AWG的基本工作原理 183
5.5.3 AWG的性能指标 183
5.6 光开关 184
5.6.1 光开关的分类 185
5.6.2 光开关的特性参数 186
5.6.3 液晶光开关 187
5.6.4 MEMS光开关 188
习题 190
第6章 光纤光栅的研究与应用 191
6.1 引言 191
6.1.1 光纤光栅的发展历程 191
6.1.2 光纤光栅的主要应用 193
6.2 光纤光栅的分类和工作原理 194
6.2.1 光纤光栅的分类 194
6.2.2 光纤光栅的工作原理 197
6.3 光纤光栅的制作方法 198
6.3.1 光纤光栅制作的基本条件 198
6.3.2 短周期光纤光栅的制作方法 199
6.3.3 长周期光纤光栅的制作方法 202
6.3.4 逐点写入法制作光纤光栅的意义和进展 204
6.4 光纤光栅的特性 206
6.4.1 短周期光纤光栅的光谱特性 206
6.4.2 短周期光纤光栅的时延特性 210
6.4.3 长周期光纤光栅的光谱特性 212
6.5 光纤光栅的应用和展望 213
6.5.1 光纤光栅色散补偿 213
6.5.2 基于光纤光栅的各类器件 214
6.5.3 光纤光栅传感 214
6.5.4 光纤光栅主要新技术和发展前景 215
习题 216
第7章 激光器 217
7.1 激光的物理基础 217
7.1.1 光纤通信系统对光源的要求 217
7.1.2 激光 218
7.1.3 激光器的工作原理 219
7.1.4 激光器的基本组成 226
7.2 半导体激光器 228
7.2.1 半导体材料的光电子学特性 229
7.2.2 F ? P腔半导体激光器 238
7.2.3 动态单纵模激光器 247
7.2.4 发光二极管 253
7.3 光纤激光器 256
7.3.1 光纤激光器的主要特点和分类 257
7.3.2 光纤激光器的工作原理和基本结构 261
7.3.3 稀土掺杂光纤激光器 264
7.3.4 光纤激光器的研究方向和应用前景 269
习题 274
第8章 电光调制器与光探测器 275
8.1 电光调制器 275
8.1.1 单晶铌酸锂线性电光特性 276
8.1.2 电光相位调制器 278
8.1.3 马赫 ? 曾德尔调制器 279
8.1.4 高速电光调制器的设计 286
8.2 光探测器 288
8.2.1 概述 289
8.2.2 光探测器的基础理论 289
8.2.3 光探测器的材料体系 292
8.3 光电二极管的典型结构 292
8.3.1 PIN光电二极管 292
8.3.2 MSM光探测器 294
8.3.3 APD光电二极管 295
8.4 高速光探测器 296
8.4.1 单行载流子光电二极管 296
8.4.2 边入射及倏逝耦合波导光电二极管 297
8.4.3 行波光探测器 298
8.5 光探测器新材料 299
8.5.1 石墨烯光探测器 299
8.5.2 小结 303
习题 303
第9章 光纤放大器及其应用 305
9.1 使用光纤放大器的必要性 305
9.2 半导体光放大器 306
9.2.1 半导体光放大器的结构和特点 306
9.2.2 半导体光放大器的主要性能参数 309
9.2.3 半导体光放大器的应用 313
9.3 掺铒光纤放大器 317
9.3.1 掺铒光纤放大器的发明和历史意义 317
9.3.2 掺铒光纤放大器的基本理论基础 317
9.3.3 掺铒光纤放大器的基本结构 320
9.3.4 掺铒光纤放大器的主要特性参数 321
9.3.5 级联放大器 324
9.4 拉曼光纤放大器 327
9.4.1 拉曼光纤放大器的发明和特点 327
9.4.2 拉曼光纤放大器的原理 328
9.4.3 拉曼光纤放大器的主要特性 329
9.4.4 拉曼光纤放大器的现状 331
9.5 总结和展望 332
9.5.1 光放大器的问题与发展 332
9.5.2 全光再生的进展 333
习题 334
第10章 光纤测量 336
10.1 光纤损耗测量 336
10.1.1 剪断法 337
10.1.2 插入法 337
10.1.3 背向散射法 338
10.2 光纤色散测量 340
10.2.1 相移法 341
10.2.2 干涉法 342
10.2.3 脉冲时延法 343
10.3 光纤截止波长测量 344
10.3.1 传输功率法 344
10.3.2 模场直径法 345
10.4 光纤模场直径测量 345
10.4.1 远场扫描法 347
10.4.2 可变孔径法 348
10.4.3 近场扫描法 349
10.5 光纤偏振模色散测量 350
10.5.1 斯托克斯参数评价法 350
10.5.2 偏振态法 351
10.5.3 干涉法 352
10.5.4 固定分析法 353
10.6 光纤折射率分布测量 354
10.7 实验报告 355
10.7.1 OTDR测量光纤损耗实验报告 355
10.7.2 光纤通信软件仿真实验报告 355
习题 356
附录A 模式正交性的证明 357
附录B 正向模与反向模关系的证明 359
附录C 矢量模场求解过程 360
附录D 矢量模表达式 363
参考文献 366
1.1 光通信技术的发展 1
1.1.1 光通信器件的发展 2
1.1.2 光纤通信系统的演进 3
1.2 光通信基础 5
1.2.1 复接与分插 5
1.2.2 准同步数字体系与同步数字体系 6
1.2.3 数字光纤通信系统 7
1.3 光通信技术优势和特点 9
1.4 光通信技术未来展望 10
习题 11
第2章 光纤波导理论基础 12
2.1 光纤的基本结构与分类 12
2.1.1 光纤的基本结构与导波原理 12
2.1.2 全反射相移、穿透深度和Goos-H?nchen位移 16
2.1.3 光纤折射率分布的类型 21
2.1.4 单模光纤与多模光纤 23
2.2 光波导的一般理论 24
2.2.1 光波导的一般理论与性质 24
2.2.2 模式 27
2.3 阶跃折射率光纤 32
2.3.1 概述 32
2.3.2 矢量模 34
2.3.3 标量法与线偏振模 37
2.3.4 阶跃折射率光纤的模式求解 40
2.4 单模光纤 63
2.4.1 概述 63
2.4.2 单模光纤的基本性质 64
2.4.3 功率限制因子、模场直径与有效面积 67
习题 72
第3章 光纤传输特性 75
3.1 光纤损耗 75
3.1.1 光纤损耗概述 75
3.1.2 光纤损耗的种类及特点 76
3.1.3 弯曲损耗 80
3.1.4 光纤损耗性能的改善技术 82
3.2 光纤色散 83
3.2.1 色散概述 83
3.2.2 光脉冲的色散展宽 89
3.2.3 单模光纤中的色散 97
3.2.4 光纤的分类与ITU ? T建议 101
3.3 光纤中的非线性效应 105
3.3.1 非线性传输方程 106
3.3.2 自相位调制 113
3.3.3 交叉相位调制 117
3.3.4 四波混频 122
3.3.5 受激非弹性散射 127
3.3.6 光纤中的光学孤立子 130
习题 133
第4章 光纤制造技术与特种光纤 135
4.1 光纤制造技术及光缆 135
4.1.1 光纤制造技术 135
4.1.2 光缆 139
4.2 特种光纤 141
4.2.1 特种光纤概述 141
4.2.2 保偏光纤 142
4.2.3 稀土掺杂光纤 144
4.2.4 色散补偿光纤 146
4.2.5 光子晶体光纤 147
4.2.6 大模场面积光纤 150
4.2.7 多芯光纤与少模光纤 152
习题 157
第5章 无源光器件 158
5.1 概述 158
5.2 基本无源光器件 158
5.2.1 连接器 158
5.2.2 衰减器 161
5.2.3 隔离器 164
5.2.4 光环行器 167
5.2.5 波分复用器 168
5.3 光纤耦合器 170
5.3.1 X型（2 × 2）光纤耦合器的基本工作原理 171
5.3.2 X型（2 × 2）光纤耦合器制作方法 172
5.3.3 X型（2 × 2）光纤耦合器的指标 172
5.3.4 光纤熔融拉锥耦合器的应用实例 173
5.3.5 光纤熔融拉锥耦合器用于波分复用 174
5.3.6 光纤熔融拉锥耦合器用于构成马赫 ? 曾德尔干涉仪 176
5.4 PLC光耦合器 177
5.4.1 PLC 光耦合器的分类 178
5.4.2 1 × N PLC光分路器的工作原理 178
5.4.3 PLC 光分路器的制作工艺 180
5.4.4 PLC光分路器主要指标 181
5.5 阵列波导光栅 182
5.5.1 AWG的发展现状 182
5.5.2 AWG的基本工作原理 183
5.5.3 AWG的性能指标 183
5.6 光开关 184
5.6.1 光开关的分类 185
5.6.2 光开关的特性参数 186
5.6.3 液晶光开关 187
5.6.4 MEMS光开关 188
习题 190
第6章 光纤光栅的研究与应用 191
6.1 引言 191
6.1.1 光纤光栅的发展历程 191
6.1.2 光纤光栅的主要应用 193
6.2 光纤光栅的分类和工作原理 194
6.2.1 光纤光栅的分类 194
6.2.2 光纤光栅的工作原理 197
6.3 光纤光栅的制作方法 198
6.3.1 光纤光栅制作的基本条件 198
6.3.2 短周期光纤光栅的制作方法 199
6.3.3 长周期光纤光栅的制作方法 202
6.3.4 逐点写入法制作光纤光栅的意义和进展 204
6.4 光纤光栅的特性 206
6.4.1 短周期光纤光栅的光谱特性 206
6.4.2 短周期光纤光栅的时延特性 210
6.4.3 长周期光纤光栅的光谱特性 212
6.5 光纤光栅的应用和展望 213
6.5.1 光纤光栅色散补偿 213
6.5.2 基于光纤光栅的各类器件 214
6.5.3 光纤光栅传感 214
6.5.4 光纤光栅主要新技术和发展前景 215
习题 216
第7章 激光器 217
7.1 激光的物理基础 217
7.1.1 光纤通信系统对光源的要求 217
7.1.2 激光 218
7.1.3 激光器的工作原理 219
7.1.4 激光器的基本组成 226
7.2 半导体激光器 228
7.2.1 半导体材料的光电子学特性 229
7.2.2 F ? P腔半导体激光器 238
7.2.3 动态单纵模激光器 247
7.2.4 发光二极管 253
7.3 光纤激光器 256
7.3.1 光纤激光器的主要特点和分类 257
7.3.2 光纤激光器的工作原理和基本结构 261
7.3.3 稀土掺杂光纤激光器 264
7.3.4 光纤激光器的研究方向和应用前景 269
习题 274
第8章 电光调制器与光探测器 275
8.1 电光调制器 275
8.1.1 单晶铌酸锂线性电光特性 276
8.1.2 电光相位调制器 278
8.1.3 马赫 ? 曾德尔调制器 279
8.1.4 高速电光调制器的设计 286
8.2 光探测器 288
8.2.1 概述 289
8.2.2 光探测器的基础理论 289
8.2.3 光探测器的材料体系 292
8.3 光电二极管的典型结构 292
8.3.1 PIN光电二极管 292
8.3.2 MSM光探测器 294
8.3.3 APD光电二极管 295
8.4 高速光探测器 296
8.4.1 单行载流子光电二极管 296
8.4.2 边入射及倏逝耦合波导光电二极管 297
8.4.3 行波光探测器 298
8.5 光探测器新材料 299
8.5.1 石墨烯光探测器 299
8.5.2 小结 303
习题 303
第9章 光纤放大器及其应用 305
9.1 使用光纤放大器的必要性 305
9.2 半导体光放大器 306
9.2.1 半导体光放大器的结构和特点 306
9.2.2 半导体光放大器的主要性能参数 309
9.2.3 半导体光放大器的应用 313
9.3 掺铒光纤放大器 317
9.3.1 掺铒光纤放大器的发明和历史意义 317
9.3.2 掺铒光纤放大器的基本理论基础 317
9.3.3 掺铒光纤放大器的基本结构 320
9.3.4 掺铒光纤放大器的主要特性参数 321
9.3.5 级联放大器 324
9.4 拉曼光纤放大器 327
9.4.1 拉曼光纤放大器的发明和特点 327
9.4.2 拉曼光纤放大器的原理 328
9.4.3 拉曼光纤放大器的主要特性 329
9.4.4 拉曼光纤放大器的现状 331
9.5 总结和展望 332
9.5.1 光放大器的问题与发展 332
9.5.2 全光再生的进展 333
习题 334
第10章 光纤测量 336
10.1 光纤损耗测量 336
10.1.1 剪断法 337
10.1.2 插入法 337
10.1.3 背向散射法 338
10.2 光纤色散测量 340
10.2.1 相移法 341
10.2.2 干涉法 342
10.2.3 脉冲时延法 343
10.3 光纤截止波长测量 344
10.3.1 传输功率法 344
10.3.2 模场直径法 345
10.4 光纤模场直径测量 345
10.4.1 远场扫描法 347
10.4.2 可变孔径法 348
10.4.3 近场扫描法 349
10.5 光纤偏振模色散测量 350
10.5.1 斯托克斯参数评价法 350
10.5.2 偏振态法 351
10.5.3 干涉法 352
10.5.4 固定分析法 353
10.6 光纤折射率分布测量 354
10.7 实验报告 355
10.7.1 OTDR测量光纤损耗实验报告 355
10.7.2 光纤通信软件仿真实验报告 355
习题 356
附录A 模式正交性的证明 357
附录B 正向模与反向模关系的证明 359
附录C 矢量模场求解过程 360
附录D 矢量模表达式 363
参考文献 366
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