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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