非线性光纤光学原理及应用PDF电子书下载

上篇 原理篇 3

第1章 导论 3

1.1 历史的回顾 4

1.2 光纤的基本特性 4

1.2.1 材料和制造 5

1.2.2 光纤损耗 6

1.2.3 光纤色散 7

1.2.4 偏振模色散 10

1.3 光纤的非线性的特性 13

1.3.1 非线性折射率 13

1.3.2 受激非弹性散射 14

1.4 综述 15

1.3.3 非线性效应的重要性 15

习题 17

参考文献 17

第2章 脉冲在光纤中的传输 21

2.1 麦克斯韦方程组 22

2.2 光纤中的模式 23

2.2.1 本征值方程 23

2.2.2 单模条件 25

2.2.3 基模特性 25

2.3 基本传输方程 26

2.3.1 非线性脉冲传输 27

2.3.2 高阶非线性效应 30

2.4 数值方法 33

2.4.1 分步傅里叶方法 34

2.4.2 有限差分法 36

习题 36

参考文献 37

第3章 群速度色散 41

3.1 不同的传输区域 42

3.2 色散引起的脉冲展宽 43

3.2.1 高斯脉冲 44

3.2.2 啁啾高斯脉冲 45

3.2.3 双曲正割脉冲 46

3.2.4 超高斯脉冲 47

3.2.5 实验结果 48

3.3 三阶色散效应 49

3.3.1 脉冲形状的变化 50

3.3.2 展宽因子 51

3.3.3 任意形状脉冲 53

3.3.4 超短脉冲测量 55

3.4 色散管理 55

3.4.1 GVD引起的限制 55

3.4.2 色散补偿 57

3.4.3 三阶色散补偿 58

习题 59

参考文献 60

第4章 自相位调制 63

4.1 SPM导致脉冲频谱展宽 64

4.1.1 非线性相移 64

4.1.2 脉冲频谱的变化 65

4.1.3 脉冲形状和初始啁啾的影响 68

4.1.4 部分相干的影响 69

4.2 群速度色散的影响 70

4.2.1 脉冲演化 71

4.2.2 展宽因子 73

4.2.3 光波分裂 74

4.2.4 实验结果 76

4.2.5 三阶色散的影响 77

4.3 高阶非线性效应 79

4.3.1 自陡效应 79

4.3.2 GVD对光学冲击的影响 81

4.3.3 脉冲内拉曼散射 82

习题 83

参考文献 84

第5章 光孤子 87

5.1 调制不稳定性 88

5.1.1 线性稳定性分析 88

5.1.2 增益谱 89

5.1.3 实验观察 90

5.1.4 超短脉冲产生 91

5.1.5 调制不稳定性对光通信系统的影响 92

5.2 光孤子 94

5.2.1 逆散射方法 94

5.2.2 基态孤子 96

5.2.3 高阶孤子 97

5.2.4 实验验证 98

5.2.5 孤子稳定性 100

5.3 其他类型的孤子 101

5.3.1 暗孤子 101

5.3.2 色散管理孤子 104

5.3.3 双稳孤子 104

5.4 孤子扰动 106

5.4.1 微扰方法 106

5.4.2 光纤损耗 107

5.4.3 孤子放大 108

5.4.4 孤子互作用 111

5.5 高阶效应 114

5.5.1 三阶色散 114

5.5.2 自陡效应 115

5.5.3 脉冲内拉曼散射 117

5.5.4 飞秒脉冲的传输 119

习题 121

参考文献 121

第6章 偏振效应 129

6.1 非线性双折射 130

6.1.1 非线性双折射的起因 130

6.1.2 耦合模方程 131

6.1.3 椭圆双折射光纤 132

6.2 非线性相移 133

6.2.1 无色散交叉相位调制 133

6.2.2 光克尔效应 134

6.2.3 脉冲整形 137

6.3 偏振态的演变 138

6.3.1 解析解 139

6.3.2 庞加莱球表示法 140

6.3.3 偏振不稳定性 142

6.3.4 偏振混沌 144

6.4 矢量调制不稳定性 144

6.4.1 低双折射光纤 145

6.4.2 高双折射光纤 146

6.4.3 各向同性光纤 148

6.4.4 实验结果 149

6.5 双折射和孤子 150

6.5.1 低双折射光纤 150

6.5.2 高双折射光纤 151

6.5.4 矢量孤子 153

6.5.3 孤子牵引逻辑门 153

6.6 随机双折射 155

6.6.1 偏振模色散 155

6.6.2 孤子偏振态 156

习题 158

参考文献 158

第7章 交叉相位调制 164

7.1 交叉相位调制引起的非线性耦合 165

7.1.1 非线性折射率 165

7.1.2 耦合NLS方程 166

7.1.3 光在双折射光纤中的传输 167

7.2 交叉相位调制引起的调制不稳定性 167

7.2.1 线性稳定性分析 167

7.2.2 实验结果 169

7.3 XPM对孤子 170

7.3.1 亮—暗孤子对 170

7.3.2 亮—灰孤子对 171

7.3.3 其他孤子对 171

7.4 频域和时域效应 172

7.4.1 不对称频谱展宽 173

7.4.2 不对称时域变化 176

7.4.3 高阶非线性效应 178

7.5 XPM的应用 179

7.5.1 XPM引起的脉冲压缩 179

7.5.2 XPM引起的光开关效应 181

7.5.3 XPM引起的非互易性 182

习题 183

参考文献 184

第8章 受激拉曼散射 187

8.1 基本概念 188

8.1.1 拉曼增益谱 188

8.1.2 拉曼阈值 189

8.1.3 耦合振幅方程组 191

8.2 准连续波受激拉曼散射 192

8.2.1 单通拉曼的产生 192

8.2.2 光纤拉曼激光器 194

8.2.3 光纤拉曼放大器 195

8.2.4 拉曼窜扰 199

8.3 短泵浦脉冲的SRS 200

8.3.1 脉冲传输方程 200

8.3.2 无色散情形 201

8.3.3 GVD的影响 202

8.3.4 实验结果 204

8.3.5 同步泵浦光纤拉曼激光器 207

8.4 SRS中的孤子效应 208

8.4.1 光纤拉曼孤子 208

8.4.2 光纤拉曼孤子激光器 211

8.4.3 孤子效应脉冲压缩 212

8.5 四波混频的影响 213

习题 214

参考文献 215

第9章 受激布里渊散射 222

9.1.2 布里渊增益谱 223

9.1.1 SBS的物理过程 223

9.1 基本概念 223

9.2 准连续波SBS过程 225

9.2.1 耦合强度方程 225

9.2.2 布里渊阈值 226

9.2.3 增益饱和 226

9.2.4 实验结果 228

9.3 动态特性 230

9.3.1 耦合振幅方程 230

9.3.2 弛豫振荡 231

9.3.3 调制不稳定性 232

9.3.4 瞬态区域 233

9.4 光纤布里渊激光器 234

9.4.1 CW运转方式 235

9.4.2 脉冲运转方式 236

9.5.1 光纤布里渊放大器 238

9.5 SBS的应用 238

9.5.2 光纤传感器 239

习题 240

参考文献 240

第10章 参量过程 244

10.1 四波混频的起源 245

10.2 四波混频理论 246

10.2.1 耦合振幅方程 246

10.2.2 耦合振幅方程的近似解 247

10.2.3 相位匹配效应 248

10.2.4 超快四波混频过程 249

10.3.1 物理机制 250

10.3 相位匹配技术 250

10.3.2 多模光纤中的相位匹配 251

10.3.3 单模光纤中的相位匹配 253

10.3.4 双折射光纤中的相位匹配 256

10.4 参量放大 258

10.4.1 放大器增益和带宽 258

10.4.2 泵浦损耗 259

10.4.3 参量放大器 260

10.4.4 参量振荡器 261

10.5 FWM的应用 262

10.5.1 波长变换 262

10.5.2 相位共轭 263

10.5.3 压缩态 264

10.5.4 超连续谱的产生 266

10.6 二次谐波的产生 267

10.6.1 实验结果 267

10.6.2 物理机制 268

10.6.3 简单理论 269

10.6.4 准相位匹配技术 272

习题 272

参考文献 273

下篇 应用篇 281

第1章 光纤光栅 281

1.1 基本概念 282

1.1.1 布拉格衍射 282

1.2 制作技术 283

1.1.2 光敏性 283

1.2.1 驻波法 284

1.2.2 全息相干法 284

1.2.3 相位掩膜技术 285

1.2.4 逐点写入技术 286

1.3 光栅特性 287

1.3.1 耦合模方程 287

1.3.2 线性情况下连续波的解 288

1.3.3 光子带隙(禁带) 289

1.3.4 光栅滤波器 290

1.3.5 实验验证 292

1.4 连续波的非线性效应 293

1.4.1 非线性色散曲线 294

1.4.2 光学双稳态 295

1.5 调制的不稳定性 297

1.5.1 线性稳定性分析 297

1.5.2 有效NLS方程 298

1.5.3 实验结论 299

1.6 非线性脉冲传播 300

1.6.1 布拉格孤子 300

1.6.2 NLS孤子 301

1.6.3 布拉格孤子的形成 302

1.6.4 非线性开关 304

1.6.5 双折射效应 305

1.7 周期相关结构 306

1.7.1 长周期光栅 306

1.7.2 非均匀布拉格光栅 308

1.7.3 光子晶体光纤 310

习题 311

参考文献 312

第2章 光纤耦合器 317

2.1 耦合器特性 318

2.1.1 耦合模方程 318

2.1.2 低能量光束 320

2.1.3 线性脉冲开关 322

2.2 非线性效应 323

2.2.1 准连续开关 323

2.2.2 实验结果 325

2.2.3 非线性超模 326

2.2.4 调制不稳定性 327

2.3 超短脉冲的传播 329

2.3.1 光脉冲的线性开关 330

2.3.2 变分法 331

2.4 耦合对孤子 333

2.5 推广和应用 335

2.5.1 非对称耦合器 336

2.5.2 有源耦合器 337

2.5.3 光栅辅助耦合器 339

2.5.4 双折射耦合器 340

2.5.5 多芯耦合器 341

习题 343

参考文献 343

第3章 光纤干涉仪 348

3.1.1 传输谐振 349

3.1 法布里—珀罗谐振腔和环形谐振腔 349

3.1.2 光学双稳态 350

3.1.3 非线性动力学和混沌 352

3.1.4 调制不稳定性 353

3.1.5 超快非线性效应 354

3.2 萨格纳克干涉仪 355

3.2.1 非线性传输特性 356

3.2.2 非线性开关 357

3.2.3 应用 360

3.3 马赫—曾德尔干涉仪 363

3.3.1 非线性特性 364

3.3.2 应用 365

3.4 迈克耳孙干涉仪 366

参考文献 367

习题 367

第4章 光纤放大器 372

4.1 基本概念 373

4.1.1 泵浦和增益系数 373

4.1.2 放大器增益和带宽 374

4.1.3 放大器噪声 376

4.2 掺铒光纤放大器 376

4.2.1 增益谱 377

4.2.2 放大器增益 378

4.2.3 放大器噪声 380

4.3 色散和非线性效应 381

4.3.2 Ginzburg-Landau方程 382

4.3.1 Maxwell-Bloch方程 382

4.4 调制不稳定性 384

4.4.1 分布放大 384

4.4.2 周期性集总放大 385

4.4.3 噪声放大 386

4.5 光孤子 388

4.5.1 自孤子 388

4.5.2 Maxwell-Bloch孤子 390

4.6 脉冲放大 392

4.6.1 皮秒脉冲 392

4.6.2 超短脉冲 395

习题 397

参考文献 398

第5章 光纤激光器 403

5.1 基本概念 404

5.1.1 泵浦和光增益 404

5.1.2 腔形设计 405

5.1.3 激光器阈值和输出功率 406

5.2 连续工作光纤激光器 408

5.2.1 掺钕光纤激光器 408

5.2.2 掺铒光纤激光器 410

5.2.3 其他光纤激光器 412

5.2.4 自脉冲和混沌 412

5.3 短脉冲激光器 414

5.3.1 锁模的物理机制 414

5.3.2 主动锁模 415

5.3.3 谐波锁模 417

5.3.4 其他主动锁模技术 419

5.4 被动锁模 420

5.4.1 可饱和吸收体 420

5.4.2 非线性光纤环形镜 422

5.4.3 非线性偏振旋转效应 423

5.4.4 混合锁模 425

5.4.5 其他锁模技术 426

5.5 光纤非线性和色散的作用 426

5.5.1 可饱和吸收体锁模 426

5.5.2 加成脉冲锁模 427

5.5.3 光谱边带 428

5.5.4 偏振效应 430

参考文献 431

习题 431

第6章 光脉冲压缩 440

6.1 物理机制 441

6.2 光栅对 442

6.2.1 光栅对 442

6.2.2 压缩器的优化设计 444

6.2.3 实际限制 446

6.2.4 实验结果 447

6.3 孤子效应压缩器 450

6.3.1 压缩器的优化 450

6.3.2 实验结果 451

6.3.3 高阶非线性效应 453

6.4.1 作为小型色散元件的光栅 454

6.4 光纤布拉格光栅 454

6.4.2 光栅引起的非线性啁啾 455

6.4.3 布拉格孤子压缩器 456

6.5 啁啾脉冲放大 457

6.6 色散渐减光纤 458

6.6.1 压缩机制 459

6.6.2 实验结果 459

6.7 其他压缩技术 461

6.7.1 交叉相位调制 461

6.7.2 增益开关半导体激光器 464

6.7.3 光放大器 464

6.7.4 光纤耦合器和干涉仪 465

习题 466

参考文献 467

第7章 光纤光学通信 473

7.1 系统基础 474

7.1.1 损耗管理 474

7.1.2 色散管理 475

7.2 受激布里渊散射 477

7.2.1 布里渊阈值 477

7.2.2 SBS控制 479

7.3 受激拉曼散射 479

7.3.1 拉曼窜扰 480

7.3.2 功率罚 481

7.4 自相位调制 482

7.4.1 SPM致频率啁啾 483

7.4.2 损耗和色散管理 484

7.5.1 XPM致相移 485

7.5 交叉相位调制 485

7.5.2 功率罚 487

7.6 四波混频 488

7.6.1 FWM效率 488

7.6.2 FWM致窜扰 489

7.7 系统设计 491

7.7.1 数值模型 491

7.7.2 设计问题 492

7.7.3 系统性能 495

习题 497

参考文献 497

第8章 孤子光波系统 503

8.1.1 孤子的性质 504

8.1 基本概念 504

8.1.2 孤子比特流 506

8.1.3 孤子互作用 507

8.1.4 光纤损耗效应 508

8.2 损耗管理孤子 509

8.2.1 集总放大 509

8.2.2 分布放大 511

8.2.3 啁啾孤子 513

8.3 放大器噪声 514

8.3.1 ASE致波动 514

8.3.2 定时抖动 516

8.3.3 定时抖动的控制 517

8.3.4 实验结果 522

8.4.1 色散渐减光纤 523

8.4 色散管理孤子 523

8.4.2 周期色散图 526

8.5 WDM孤子系统 532

8.5.1 信道间碰撞 532

8.5.2 集总放大效应 534

8.5.3 定时抖动 535

8.5.4 色散管理 535

习题 538

参考文献 539

附录A 分贝单位 546

附录B 非线性折射率 547

附录C 误码率 551