光波技术基础"
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。
自20世纪70年代第一根低损耗光纤和可在室温下连续工作的半导体激光器问世以来，光纤通信以其损耗小，传输容量大，质量小等特点迅速取代同轴电缆在全世界通信领域得到应用和普及，形成了高速、大容量且具有自愈功能的光纤网络，并在此基础上进一步建立了支持固定点通信和移动通信的可容纳各种速率数据和话音业务的现代信息网。正因为如此，光纤通信被认为是20世纪人类最伟大的技术发明之一。
近50年的发展历程中，光纤通信不仅在支持自身的技术上取得了巨大进步，而且形成了遍布全球的支持各种信息业务传输的功能强大的光网络，发挥出了极其巨大的经济效益和社会效益。光纤通信技术的进步是在激光器技术、光纤技术和光放大技术等不断取得突破的条件下实现的。在分布反馈激光器、量子阱激光器、掺铒光纤放大器、掺铥光纤放大器、拉曼光纤放大器、密集波分复用、光时分复用、色散管理、色散补偿、高阶多维调制及前向纠错、偏振复用和相干检测等技术的支持下，实验室两根光纤可支持的数据速率已经达到100～200 Tbit/s，商用的数据传输速率最高也可达到Tbit/s量级，无电中继传输距离可达到上万km，从而为当今社会的信息传输提供了一个无限宽广的管道。但是光层交换技术没有取得突破，在很大程度上限制了光纤网数据传输速率优势的发挥，是目前阻碍光纤到户发展进程的主要原因之一。
现在，光交换研究的热潮已经兴起，并在某些方面（如基于可变波长激光器和可选波长光探测器的粗粒度光路交换、细粒度的光分组交换及介于两者之间作为过渡技术的光突发交换等）已经取得一定的进展。如果光交换技术获得突破和商用，将会带来光信息网络的又一次革命，克服电子瓶颈限制，实现光通信网络高速交换，促进光纤网络向深度和广度进一步发展，为光纤到户、虚拟现实、高清电视、物联网和人工智能等应用提供技术支撑和保证。
本书是编者在多年从事本科生和研究生光波技术基础、光纤通信系统、光纤传感技术、光纤测量等课程教学和科研实践基础上形成的，同时也参阅了大量有价值的参考文献。编写目的是力求教给学生一套较为完整的光通信技术方面的基础知识体系，使学生既具备成熟的光通信基本理论，又掌握当今光纤通信的新技术，并了解其发展趋势。
本书分为10章，第1章为绪论，从光通信器件的发展及光纤通信系统的演进两个方面回顾了光通信技术的历史，介绍了光通信系统的基础知识，准同步数字体系和同步数字体系的特点，以及数字光纤传输系统的构成及其性能，简述了光通信技术的特点和展望。第2章为光纤波导理论基础，从光波导的一般理论出发给出了模式的一般概念；通过对阶跃折射率光纤矢量模和标量模的分析，揭示了光纤中模式的特性、场分布规律及单模光纤的基本性质和模场特征参数。第3章为光纤传输特性，对光纤中损耗的形成原因及表示方法，光纤中色散分类、表示方法，色散补偿和色散管理措施，光纤中的非线性效应及抑制方法等进行了阐述。第4章为光纤制造技术与特种光纤，分析和讨论了光纤的制作工艺、光缆结构及其特性，并介绍了保偏光纤、稀土掺杂光纤、色散补偿光纤、光子晶体光纤、大模场面积光纤、多芯光纤与少模光纤等新型特种光纤。第5章为无源光器件，包括连接器、衰减器、隔离器、光环行器等基本器件，以及光纤耦合器、PLC光耦合器、阵列波导光栅、光开关。第6章为光纤光栅的研究与应用，根据光纤光栅的工作原理，分别讨论了短周期光纤光栅和长周期光纤光栅的特性，并介绍了光纤光栅的制作方法及应用发展前景。第7章为激光器，对激光产生的条件及特性，半导体材料中的能带特性，PN结形成，F-P腔半导体激光器，动态单纵模激光器和发光二极管的特性进行了分析；对光纤激光器的构成、工作原理及特性进行了讨论。第8章为电光调制器和光探测器，探讨了单晶铌酸锂的线性电光特性及几种常用的铌酸锂调制器，介绍了光电二极管的典型结构，并进一步给出了三种高速光探测器和石墨烯光探测器。第9章为光放大器及其应用，分析了光放大的基本原理，介绍了半导体光放大器的构成及特性，分析了掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的原理、构成及特性，并对光放大器技术进行总结和展望。第10章为光纤测量，主要介绍了损耗、色散、截止波长、模场直径和偏振模色散等光纤特性参数及光纤折射率分布的测量方法。
本书第1章由延凤平教授编写，第2、3、4章由任国斌教授编写，第5章由王春灿副教授编写，第6章由裴丽教授编写，第7章由王目光教授编写，第8章由宁提纲教授编写，第9章由谭中伟教授编写，第10章由李唐军教授编写。全书由延凤平教授统稿，并在内容上做了一定的增减和文字上做了一定的修饰加工。在编写过程中，得到了我国著名的光纤通信专家、中科院院士简水生教授多方面的精心指导和关怀，同时得到了北京交通大学光波技术研究所全体教师和学生的大力支持和帮助，在此一并表示感谢。
由于时间仓促，编者学识水平有限，书中一定还会存在不少缺点、错误和疏漏，恳请读者批评指正，以便于本书今后的修改和完善。
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
本书是编者在多年从事本科生和研究生光波技术基础、光纤通信系统、光纤传感技术、光纤测量等课程教学和科研实践基础上形成的，同时也参阅了大量有价值的参考文献。编写目的是力求教给学生一套较为完整的光通信技术方面的基础知识体系，使学生既具备成熟的光通信基本理论，又掌握当今光纤通信的新技术，并了解其发展趋势。
延凤平，
