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第1章　光纤传输的基本理论1

1.1 引言1

1.2　均匀折射率光纤的光线理论2

1.2.1　子午光线的传播3

1.2.2　斜光线的传播4

1.2.3　光纤的弯曲4

1.2.4　光纤端面的倾斜效应6

1.2.5　圆锥形光纤6

1.3　变折射率光纤的光线理论7

1.3.1　程函方程8

1.3.2　光线方程9

1.3.3　变折射率光纤中的光线分析10

1.4　光波导的一般理论——正规光波导13

1.4.1　麦克斯韦方程组13

1.4.2　波动方程14

1.4.3　模式16

1.4.4　模式场的纵、横向分量17

1.5　均匀折射率光纤的波动理论19

1.5.1　矢量模20

1.5.2　线偏振模与标量法22

1.5.3　二层均匀光纤24

1.5.4　电磁场分布图34

1.6　变折射率光纤的波动理论36

1.6.1 引言36

1.6.2　平方律光纤的解析解38

1.6.3　级数近似解40

1.7　均匀折射率单模光纤的分析41

1.7.1　引言41

1.7.2　基本性质42

1.7.3 功率分布46

1.8　变折射率单模光纤的分析47

1.8.1　等效平方律折射率光纤法48

1.8.2　等效阶跃折射率光纤法50

1.9　非正规光波导的模耦合方程52

1.9.1　非正规光波导52

1.9.2　非正规光波导的模耦合方程（矢量模耦合方程）53

思考题与习题56

参考文献57

第2章　光纤的特性59

2.1　引言59

2.2　光纤的损耗59

2.2.1 吸收损耗59

2.2.2　散射损耗61

2.3　光纤的色散62

2.3.1　概述62

2.3.2　多模色散63

2.3.3　波长色散64

2.3.4　各种色散大小的比较66

2.4　单模光纤的设计66

2.4.1 引言66

2.4.2　截止条件68

2.4.3　等效阶跃折射率光纤70

2.4.4　色散特性71

2.5　偏振保持光纤简介73

2.5.1 引言73

2.5.2　偏振保持光纤的结构类型74

2.6　弹光效应75

2.7　光纤中产生双折射的原因79

2.7.1　纤芯的椭圆度引起的双折射79

2.7.2　应力引起的双折射79

2.7.3　弯曲引起的双折射79

2.7.4　扭曲引起的双折射81

2.7.5　外场引起的双折射81

2.7.6　减小双折射影响的特殊措施82

2.8　偏振光在光纤中的传输82

2.8.1　偏振光的矩阵表示法——Jones矢量法83

2.8.2　Jones矩阵法在光纤中的应用84

2.8.3　单模光纤在外力作用下引起双折射效应的Jones矩阵89

2.8.4　Poincaré球图示法91

思考题与习题97

参考文献97

第3章　光纤中的非线性效应99

3.1 引言99

3.2　基本原理99

3.2.1　非线性极化99

3.2.2　受激非弹性散射100

3.2.3　基本传输方程101

3.2.4　非线性脉冲传输103

3.3 自相位调制107

3.3.1　非线性相移108

3.3.2　脉冲形状和初始啁啾的影响110

3.4　光纤中的光孤子111

3.4.1　概述111

3.4.2　脉冲演化112

3.4.3　基态孤子114

3.4.4　暗孤子114

3.5　交叉相位调制116

3.6　受激拉曼散射117

3.6.1　拉曼增益谱118

3.6.2　拉曼阈值119

3.6.3　光纤拉曼散射的应用120

3.7　受激布里渊散射122

3.7.1　概述122

3.7.2　布里渊增益谱123

3.7.3　受激布里渊散射的应用124

3.8　四波混频126

3.8.1　四波混频原理126

3.8.2　多模光纤中的相位匹配128

3.8.3　单模光纤中的相位匹配128

3.8.4　双折射光纤中的相位匹配129

思考题与习题130

参考文献132

第4章　光纤的连接和处理133

4.1 引言133

4.2　光纤弯曲损耗133

4.2.1　光纤的宏弯损耗133

4.2.2　微弯引起的光纤损耗135

4.3　光纤和光源的连接136

4.3.1　半导体激光器和光纤的连接136

4.3.2　半导体发光二极管和光纤的耦合140

4.4　光纤和光纤的连接141

4.4.1　多模光纤和多模光纤的直接耦合141

4.4.2　单模光纤和单模光纤直接耦合144

4.5　光纤端面的处理146

4.5.1　涂覆层剥除146

4.5.2　光纤端面制备146

4.5.3　光纤端面质量的检验148

4.6　光纤的固定连接148

4.6.1　光纤对准调节148

4.6.2　光纤的固定150

4.7　光纤熔接152

4.7.1　概述152

4.7.2　影响光纤熔接性能的因素152

4.7.3　光纤熔接中容易出现的问题与解决方法153

4.8　侧边抛磨光纤155

4.8.1 引言155

4.8.2　侧边抛磨光纤的制备155

4.8.3　侧边抛磨光纤的应用156

4.9　光纤的腐蚀158

4.9.1　化学腐蚀法制作纳米光纤探针的原理158

4.9.2　影响腐蚀效果的因素159

4.9.3　化学腐蚀法的分类160

4.9.4　化学腐蚀法应用于具有渐逝场结构的光纤传感器163

4.10　光纤的改性165

4.10.1　掺杂效应165

4.10.2　光敏效应165

4.10.3　拉曼效应和布里渊效应166

4.10.4　力学效应166

4.10.5　热学效应166

4.10.6 电磁效应166

思考题与习题166

参考文献167

第5章　特种光纤169

5.1 引言169

5.2　变折射率光纤170

5.2.1　变折射率光纤棒的成像理论170

5.2.2　变折射率光纤棒的制造176

5.2.3　变折射率光纤棒的应用177

5.2.4　变折射率光纤棒的像差180

5.3　红外光纤183

5.3.1　概述183

5.3.2　氟化物光纤184

5.3.3　硫化物红外光纤186

5.3.4　空芯波导186

5.3.5　多晶红外光纤189

5.3.6　红外光纤的应用190

5.4　荧光光纤196

5.4.1　概述196

5.4.2　荧光光纤成分196

5.4.3　荧光光纤的光学性能197

5.4.4　荧光光纤的应用198

5.4.5　闪烁塑料光纤198

5.5　聚合物光纤199

5.5.1　概述199

5.5.2　聚光物光纤种类和材料199

5.5.3　聚合物光纤的特性201

5.5.4　聚合物光纤器件204

5.5.5　聚合物光纤应用204

5.6　光子晶体光纤205

5.6.1　概述205

5.6.2　光子晶体光纤的分类205

5.6.3　光子晶体光纤的材料和制作207

5.6.4　光子晶体光纤的特性208

5.6.5　光子晶体光纤的应用209

5.7　单晶光纤211

5.7.1　概述211

5.7.2　材料211

5.7.3　单晶光纤的特性211

5.7.4　单晶光纤的应用213

5.8　增敏和去敏光纤213

5.8.1　对辐射的增敏和去敏光纤213

5.8.2　磁敏光纤214

5.9　紫外光纤214

5.10　镀金属光纤215

5.11　双包层光纤215

5.12　多芯光纤218

5.13　微纳光纤220

思考题与习题221

参考文献222

第6章　光纤特征参数的测量223

6.1 引言223

6.1.1　光纤测量的内容223

6.1.2　光纤测量的特点223

6.1.3　光纤测量的方法223

6.1.4　光纤测量仪器225

6.2　损耗测量225

6.2.1　概述225

6.2.2　光纤损耗的测量226

6.2.3　光纤器件的插损测量229

6.2.4　谱损的测量230

6.2.5　反射损耗的测量230

6.3　模场直径测量231

6.3.1　模场直径定义231

6.3.2　测量方法231

6.4　截止波长233

6.4.1　截止波长的定义234

6.4.2　传导功率法235

6.4.3　模场直径法236

6.4.4　替代法237

6.5　色散测量237

6.5.1　测量原理237

6.5.2　相移法239

6.5.3　干涉法239

6.5.4　基带测量241

6.6　折射率分布的测量243

6.6.1　折射近场法243

6.6.2　近场扫描法245

6.7　几何尺寸测量247

6.7.1　概述247

6.7.2　折射近场法测几何尺寸247

6.7.3　近场法测几何尺寸248

6.8　最大理论数值孔径的测量248

6.8.1　折射近场法248

6.8.2　远场法249

6.8.3　远场光斑法250

6.9　高双折射光纤拍长的测量250

6.9.1　散射光法250

6.9.2　透射光法251

6.10　偏振模色散254

6.10.1　概述254

6.10.2　定义254

6.10.3　测量方法255

思考题与习题261

参考文献261

第7章　光纤无源及有源器件262

7.1　引言262

7.2　光纤耦合器——熔锥型单模光纤光分合路连接器263

7.2.1　熔锥型单模光纤光分合路连接器263

7.2.2　磨抛型单模光纤定向耦合器267

7.3　光开关269

7.3.1 概述269

7.3.2　光开关的技术参数269

7.3.3　光开关原理269

7.4　光纤旋转连接器271

7.4.1　光纤旋转连接器的工作原理271

7.4.2　光纤旋转连接器的基本结构271

7.5　光纤调制器273

7.5.1　基于Kerr效应的光纤相位调制器273

7.5.2　基于热极化保偏光纤电光相位调制器274

7.6　光纤滤波器275

7.6.1　Mach-Zehnder光纤滤波器275

7.6.2　Fabry-Perot光纤滤波器276

7.7　光衰减器279

7.7.1　光衰减器原理279

7.7.2　光衰减器分类和基本结构279

7.7.3　全光纤热光型可变光衰减器281

7.8　光缓存器283

7.9　光纤偏振器件284

7.9.1　光纤偏振控制器284

7.9.2　保偏光纤偏振器285

7.9.3　光隔离器286

7.10　光环行器288

7.11　光纤光栅290

7.11.1　引言290

7.11.2　光纤光栅的分类291

7.11.3　光纤布喇格光栅的理论模型294

7.11.4　均匀周期正弦型光纤光栅296

7.11.5　非均匀周期光纤光栅298

7.11.6　光纤光栅的写入方法简介300

7.12　掺杂光纤激光器与放大器303

7.12.1　概述303

7.12.2　光纤激光谐振腔303

7.12.3　掺杂光纤激光介质305

7.12.4　掺杂光纤激光器的调谐306

7.12.5　光纤激光器的调Q和锁模307

7.12.6　光纤激光器的输出线宽和压缩307

7.12.7　光纤放大器307

7.13　大功率双包层光纤激光器309

7.13.1　概述309

7.13.2　双包层光纤的结构与特点309

7.13.3　双包层光纤激光器的原理310

7.13.4　双包层光纤激光器的泵浦耦合技术310

7.13.5 双包层光纤激光器的应用312

思考题与习题312

参考文献313

第8章　光纤传输数据和图像315

8.1　概述315

8.2　光纤通信简介315

8.3　光纤传输距离的估算316

8.3.1　光纤的损耗316

8.3.2　光纤色散318

8.3.3　色散对光纤传输的影响319

8.4　光纤传光束320

8.5　光纤传像束321

8.5.1　概述321

8.5.2　光纤传像束的结构321

8.5.3　光纤传像束的性能324

8.5.4　应用324

思考题与习题326

参考文献326

第9章　光纤传感器328

9.1　概述328

9.1.1　光纤传感器的定义及分类328

9.1.2　光纤传感器的特点329

9.2　振幅调制传感型光纤传感器329

9.2.1　光纤微弯传感器329

9.2.2　光纤受抑全内反射传感器331

9.2.3　光纤辐射传感器332

9.3　振幅调制型光纤传感器的补偿技术333

9.3.1　双波长补偿法333

9.3.2　旁路光纤监测法334

9.3.3　光桥平衡补偿法334

9.4　相位调制传感型光纤传感器334

9.4.1　引言334

9.4.2　Mach-Zehnder光纤干涉仪和Michelson光纤干涉仪335

9.4.3　Sagnac光纤干涉仪336

9.4.4　光纤Fabry-Perot干涉仪339

9.4.5　光纤环形腔干涉仪342

9.4.6　白光干涉型光纤传感器344

9.4.7　外界压力对光纤干涉仪的影响347

9.4.8　温度对光纤干涉仪的影响351

9.4.9　光纤干涉仪的传感应用351

9.5　偏振态调制型光纤传感器352

9.5.1　光纤电流传感器352

9.5.2　双折射对光纤传感的影响353

9.5.3　光纤偏振干涉仪354

9.6　波长调制型光纤传感器355

9.6.1 引言355

9.6.2　光纤布喇格光栅应变传感模型分析355

9.6.3　光纤布喇格光栅温度传感模型分析361

9.6.4　光纤布喇格光栅在光纤传感领域中的典型应用362

9.6.5　长周期光纤光栅在传感领域的应用365

9.6.6　光纤光栅折射率传感技术365

9.6.7　LPG马赫-泽德干涉仪折射率传感器368

9.7　光纤荧光温度传感器368

9.7.1　光纤荧光温度传感原理368

9.7.2　荧光寿命测温369

9.7.3　荧光强度比测温369

9.7.4　荧光传感材料370

9.7.5　荧光测温系统在工业界的应用371

9.8　分布式光纤传感器372

9.8.1　概述372

9.8.2　散射型分布式光纤传感器373

9.8.3　偏振型分布式光纤传感器374

9.8.4　相位型分布式光纤传感器374

9.8.5　应用374

9.9　聚合物光纤传感器375

9.9.1　聚合物光纤传感器简介375

9.9.2　聚合物光纤传感器的分类375

9.9.3　聚合物光纤传感器的应用375

9.10　光子晶体光纤及其在传感中的应用375

9.10.1　概述375

9.10.2　光子晶体光纤用于气体检测376

9.10.3　基于孔内光和物质相互作用的其他传感器377

9.10.4　高双折射光子晶体光纤377

9.10.5　双模光子晶体光纤传感器378

9.10.6　掺杂的微结构聚合物光纤传感器379

9.10.7　其他传感应用380

9.11　传光型光纤传感器380

9.11.1　振幅调制传光型光纤传感器380

9.11.2　相位调制传光型光纤传感器382

9.11.3　偏振态调制传光型光纤传感器383

9.12　光纤传感技术的发展趋势及课题384

9.13　小结385

思考题与习题385

参考文献387

第10章　光纤设计和制造388

10.1　光纤设计388

10.1.1　引言388

10.1.2　光纤折射率分布的设计388

10.1.3　单模光纤的设计390

10.1.4　典型单模光纤性能397

10.2　光纤制造399

10.2.1　概述399

10.2.2　气相沉积工艺400

10.2.3　MCVD工艺401

10.2.4　OVD工艺401

10.2.5　光纤拉丝工艺402

10.2.6　高双折射光纤制作方法403

10.2.7　低双折射光纤的制作方法405

思考题与习题405

参考文献406