光波导理论与技术PDF电子书下载

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 aopt 173

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