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第1章 绪论1

1.1 通信历史的回顾1

1.2 光纤通信的产生和发展2

1.3 光通信关键技术3

1.3.1 光纤4

1.3.2 光源和光发送机7

1.3.3 光检测器和光接收端机9

1.3.4 光电集成和光集成技术11

1.4 光波技术的发展11

第2章 电磁场理论基础13

2.1 电磁场基本方程13

2.1.1 麦克斯韦方程组13

2.1.2 电磁场边界条件14

2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程15

2.1.4 柱型波导中的场方程16

2.2 各向同性媒质中的平面电磁波17

2.2.1 无界均匀媒质中的均匀平面电磁波17

2.2.2 平面电磁波的偏振状态18

2.2.3 平面波的反射和折射19

2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波20

2.3 各向异性媒质中的平面电磁波21

2.3.1 电各向异性媒质21

2.3.2 电各向异性媒质中的平面波21

2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论24

2.4.1 几何光学的基本方程——eikonal 方程24

2.4.2 光线传播的路径方程26

2.4.3 路径方程解的两个特例27

2.4.4 折射定律与反射定律29

第3章 光波导的几何光学分析方法31

3.1 均匀介质薄膜波导中光线的传播31

3.1.1 光线的传播路径及光线分类31

3.1.2 传播时延及时延差33

3.2 芯层折射率渐变的介质薄膜波导中光线的传播34

3.2.1 传播路径及光线分类34

3.2.2 传播时延及时延差37

3.2.3 举例38

3.3 阶跃光纤中光线的传播43

3.3.1 传播路径及光线分类44

3.3.2 数值孔径47

3.3.3 传播时延和时延差48

3.4 梯度光纤中光线的传播48

3.4.1 路径方程和光线不变量49

3.4.2 光线路径及光线分类50

3.4.3 本地数值孔径52

3.4.4 传播时延53

3.4.5 举例54

3.5 光纤与光源的耦合55

3.5.1 照射光源55

3.5.2 耦合效率56

3.5.3 提高光源耦合效率的措施59

第4章 薄膜波导和带状波导的模式理论62

4.1 均匀薄膜波导62

4.1.1 TE 模63

4.1.2 TM 模65

4.1.3 传播模和辐射模66

4.1.4 截止参数67

4.1.5 单模传输和模数量68

4.1.6 导波场分布69

4.1.7 导波的传输功率和有效厚度70

4.1.8 对称薄膜波导72

4.1.9 本地平面波解释74

4.2 渐变薄膜波导77

4.2.1 无界的抛物线型折射率分布光波导的解析解77

4.2.2 有界的抛物线型折射率分布光波导的解析解79

4.3 条形光波导82

4.3.1 条形光波导的结构82

4.3.2 分析条形波导的马卡梯里方法82

4.3.3 Eymn 模83

4.3.4 Exmn 模86

4.3.5 截止条件与单模传输87

4.4 带状波导的近似分析方法88

第5章 光纤的模式理论92

5.1 光纤中的电磁场方程92

5.2 阶跃光纤的严格解——矢量模解93

5.2.1 阶跃光纤的电磁场解93

5.2.2 导波模的特征方程100

5.2.3 导波模分类102

5.2.4 导波模的截止参数和单模传输条件104

5.2.5 远离截止状态时导波模的性态108

5.2.6 色散曲线110

5.2.7 导波模的场型图111

5.3 阶跃光纤中的线偏振模112

5.3.1 线偏振模场解及特征方程113

5.3.2 线偏振模特性114

5.3.3 LPmn 模与矢量模之间的对应关系116

5.3.4 LPmn 模的功率分布117

5.3.5 多模光纤中的模数量119

5.4 梯度光纤的解析解法121

5.4.1 抛物线型折射率分布光纤中的标量近似解121

5.4.2 相位常数125

5.4.3 模式群和模式数量126

5.5 光波导的数值分析方法127

5.5.1 有限元方法概要128

5.5.2 边界条件131

5.5.3 计算举例132

5.6 模式的正交性和完备性133

5.6.1 模式的完备性133

5.6.2 模式的正交性133

5.7 微扰法135

5.7.1 弱导光纤的微扰解136

5.7.2 折射率分布有？均匀变化的情形137

5.8 模式的横向耦合理论140

5.8.1 耦合模方程140

5.8.2 耦合模方程的形式解143

5.8.3 耦合系数的计算145

5.9 模式的纵向耦合理论146

5.9.1 耦合模方程146

5.9.2 纵向耦合特点148

5.10 单模光纤148

5.10.1 阶跃型单模光纤148

5.10.2 梯度型单模光纤151

5.10.3 单模光纤的双折射和偏振演化152

6.1.1 波长色散157

第6章 光纤的色散特性157

6.1 色散概述157

6.1.2 模式色散158

6.2 材料色散159

6.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类163

6.3.1 色散系数163

6.3.2 单模光纤分类166

6.3.3 偏振模色散169

6.4 多模光纤的模式色散171

6.4.1 群时延差171

6.4.2 最佳折射率指数 aopt173

6.5 色散导致的光信号畸变及其对通信的影响174

6.5.1 光脉冲传播方程174

6.5.3 高斯光脉冲在色散介质中的展宽177

6.5.2 传播方程的形式解177

6.5.4 色散对通信容量的限制180

6.6 色散补偿183

6.6.1 后补偿技术183

6.6.2 预补偿技术184

6.6.3 在线补偿技术186

6.6.4 光均衡滤波188

6.6.5 偏振模色散的补偿190

第7章 单模光纤的非线性传输特性193

7.1 光波与媒质的非线性互作用193

7.1.1 电介质的极化193

7.1.2 媒质的非线性响应194

7.1.3 光纤的非线性折射率197

7.2.1 光信号传播方程198

7.2 光信号的非线性传播方程198

7.2.2 传播方程的数值解法201

7.3 自相位调制(SPM)203

7.3.1 非线性相移及频率啁啾203

7.3.2 群速度色散的影响205

7.3.3 SPM 对通信的影响207

7.4 交叉相位调制(XPM)207

7.4.1 不同频率光波之间的耦合207

7.4.2 正交偏振模之间的耦合209

7.4.3 XPM 对通信系统的影响210

7.5 光孤子传输211

7.5.1 孤子方程和孤子解211

7.5.2 暗孤子214

7.5.3 基态光孤子的传播特性215

7.5.4 光孤子通信219

7.6 四波混频(FWM)222

7.6.1 四波混频的形成机理222

7.6.2 参量增益223

7.6.3 四波混频的相位匹配条件226

7.6.4 四波混频对通信的影响及其可能的应用227

7.7 受激拉曼散射(SRS)228

7.7.1 受激拉曼散射的物理机理229

7.7.2 拉曼增益229

7.7.3 拉曼阈值231

7.7.4 短脉冲修正233

7.7.5 拉曼光纤放大器234

7.7.6 拉曼串扰235

7.8 受激布里渊散射(SBS)236

7.8.1 SBS 的物理机理和布里渊频偏237

7.8.2 布里渊增益238

7.8.3 布里渊阈值239

7.8.4 SBS 对通信的影响239

第8章 无源光器件241

8.1 光纤连接器241

8.1.1 光纤的连接损耗241

8.1.2 光纤连接器244

8.2 光耦合器248

8.2.1 全光纤耦合器的耦合原理248

8.2.2 光纤耦合器的性能参数250

8.2.3 耦合器的分类250

8.3 光波复用、解复用器255

8.3.1 光波复用、解复用器的性能参数255

8.3.2 复用、解复用器的结构原理256

8.4 光调制器267

8.4.1 电光调制268

8.4.2 声光调制275

8.4.3 磁光调制278

8.4.4 波导调制器和电吸收式调制器278

8.5 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器279

8.5.1 光滤波器279

8.5.2 光开关279

8.5.3 光隔离器280

8.6 光纤光栅281

8.6.1 光纤光栅的写入技术281

8.6.2 掺杂光纤光敏性机理284

8.6.3 均匀周期光栅光学特性285

8.6.4 线性啁啾光栅光学特性288

8.6.5 非线性效应289

8.6.6 光纤光栅的应用290

第9章 有源光器件293

9.1 半导体激光器的工作原理293

9.1.1 半导体中光发射的物理机理293

9.1.2 半导体 PN 结及其能带结构295

9.1.3 异质结及直接带隙半导体材料297

9.1.4 半导体激光器的基本结构及阈值条件298

9.1.5 激光器的谱宽和线宽299

9.2 半导体激光器的结构及工作特性300

9.2.1 条形结构半导体激光器300

9.2.2 单纵模激光器301

9.2.3 半导体激光器的工作特性306

9.3.1 光检测的原理313

9.3 半导体光电检测器313

9.3.2 PIN 光电二极管314

9.3.3 雪崩光电二极管(APD)316

9.3.4 响应度和量子效率321

9.3.5 光检测器的响应时间322

9.3.6 光检测器的噪声324

9.4 光放大器325

9.4.1 半导体激光放大器327

9.4.2 非线性光纤放大器332

9.4.3 掺铒光纤放大器332

9.4.4 掺铒光纤激光器340

9.4.5 掺镨光纤放大器(PDFA)341

参考文献342