光纖技術(shù)及應(yīng)用

前言

　　20世紀(jì)70年代，伴隨著半導(dǎo)體激光器的實(shí)用化和低損耗光纖的成功研制，光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)有了飛速發(fā)展，并構(gòu)成了光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的兩大支柱。20世紀(jì)90年代以來(lái)，全世界信息化的浪潮已成為不可阻擋的趨勢(shì)，光纖通信已成為信息高速公路的主體，而光纖傳感技術(shù)的發(fā)展、光纖傳感器系統(tǒng)的逐步實(shí)用化，也推動(dòng)了作為信息技術(shù)重要基礎(chǔ)的傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展。可以說(shuō)，光纖通信將是未來(lái)通信發(fā)展的主流趨勢(shì)，光纖傳感技術(shù)也必將成為傳感技術(shù)的主導(dǎo)，光網(wǎng)絡(luò)、光計(jì)算機(jī)則將會(huì)把人們帶人一個(gè)嶄新的光信息時(shí)代。為了適應(yīng)這種新形勢(shì)的發(fā)展，特別是對(duì)于光電子技術(shù)、光纖通信、集成光學(xué)、光纖傳感技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生和科技人員來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)和研究光波在光纖中的傳輸理論、光纖器件和制作技術(shù)，學(xué)習(xí)和研究光纖通信技術(shù)、光纖傳感技術(shù)的基本理論和應(yīng)用，是十分必要的?！　”窘滩氖亲髡咴谖靼搽娮涌萍即髮W(xué)長(zhǎng)期從事光電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)“光纖技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)光電子技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)和光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課“光纖技術(shù)及應(yīng)用”的教學(xué)大綱編寫(xiě)的，目的是通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生基于光的電磁理論，系統(tǒng)地掌握光波在光纖中的傳輸原理和傳輸特性，掌握實(shí)用的光纖傳輸器件和光纖通信、光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用。本教材的主要內(nèi)容包括光波在平板波導(dǎo)、光纖中的傳輸理論，光纖器件，光纖制造技術(shù)，光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的基本原理。在教材的編寫(xiě)中，特別注意光電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員的電磁理論教學(xué)體系，特別注意工科技術(shù)人員的培養(yǎng)特點(diǎn)，突出教材的系統(tǒng)性、邏輯性，內(nèi)容由淺入深，便于學(xué)習(xí)?！　”窘滩墓卜譃?章。第l章主要闡述光波傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)；第2章討論最簡(jiǎn)單，同時(shí)又具有實(shí)用價(jià)值的平板光波導(dǎo)傳輸理論；第3、4章分別用射線(xiàn)光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)兩種理論詳細(xì)討論光纖傳輸原理，特別討論光纖中的模式特性、光纖的損耗和色散特性，這是從事光纖技術(shù)及應(yīng)用人員必須掌握的理論基礎(chǔ)；第5章介紹光纖技術(shù)中常用的光纖無(wú)源和有源器件；第6章簡(jiǎn)單地介紹光纖及光纜制造技術(shù)；第7、8章較系統(tǒng)地介紹光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用。

內(nèi)容概要

本書(shū)以光的電磁理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地介紹光纖技術(shù)的基本原理、基本器件和光纖通信技術(shù)、光纖傳感技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。第1章主要闡述光傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)，第2章討論平板光波導(dǎo)的傳輸理論，第3、4章詳細(xì)討論光纖傳輸原理和光纖傳輸特性，第5章介紹光纖無(wú)源和有源器件，第6章簡(jiǎn)單地介紹光纖及光纜制造技術(shù)，第7章較系統(tǒng)地介紹光纖通信技術(shù)，第8章較系統(tǒng)地介紹光纖傳感技術(shù)。     本書(shū)可作為光電子技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專(zhuān)業(yè)本科生的專(zhuān)業(yè)課教材，也可供高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生和有關(guān)科技人員參考。

書(shū)籍目錄

第1章  光傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)  1.1 麥克斯韋方程和波動(dòng)方程    1.1.1 麥克斯韋方程和邊界條件    1.1.2 波動(dòng)方程  1.2 平面光波及其在介質(zhì)界面上的反射和折射    1.2.1 均勻平面光波    1.2.2 平面光波在介質(zhì)界面上的反射和折射    1.2.3 平面光波的全反射  1.3 程函方程與光線(xiàn)方程  思考題  參考文獻(xiàn)第2章 平板介質(zhì)波導(dǎo)  2.1 理想平板波導(dǎo)的射線(xiàn)光學(xué)理論    2.1.1 均勻平面光波在平板波導(dǎo)中的傳輸    2.1.2 非均勻平面光波在平板波導(dǎo)中的傳輸  2.2 理想平板波導(dǎo)的波動(dòng)光學(xué)分析    2.2.1 平板波導(dǎo)中的模式    2.2.2 導(dǎo)模    2.2.3 輻射模    2.2.4 泄漏模、消失模  2.3 模式的正交性和完備性    2.3.1 模式的正交性一    2.3.2 模式的完備性  2.4 非理想波導(dǎo)中的模式耦合    2.4.1 耦合模理論    2.4.2 周期性平板波導(dǎo)    2.4.3 波導(dǎo)問(wèn)的模式耦合  思考題  參考文獻(xiàn)第3章  光纖  3.1 光纖的射線(xiàn)光學(xué)理論    3.1.1 階躍光纖    3.1.2 梯度光纖  3.2 光纖的波動(dòng)光學(xué)理論    3.2.1 階躍光纖中的矢量解    3.2.2 弱導(dǎo)光纖中場(chǎng)的標(biāo)量近似解(LP模)    3.2.3 梯度光纖中的導(dǎo)模場(chǎng)解  3.3 非均勻光纖    3.3.1 光纖光柵    3.3.2 光子晶體光纖  3.4 特殊材料光纖  附錄Ⅰ 貝塞爾函數(shù)  思考題  參考文獻(xiàn)第4章  光纖的傳輸特性  4.1 光纖損耗    4.1.1 光纖損耗的表示    4.1.2 光纖損耗機(jī)制  4.2 光纖色散    4.2.1 光纖色散的定義和種類(lèi)    4.2.2 光信號(hào)在色散光纖中的傳輸    4.2.3 色散優(yōu)化光纖  4.3 光纖偏振    4.3.1 光纖(模式)雙折射    4.3.2 單模光纖的偏振模色散    4.3.3 保偏光纖  4.4 光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)  思考題  參考文獻(xiàn)第5章  光纖器件  5.1 光纖無(wú)源器件    5.1.1 光纖無(wú)源器件的主要性能參數(shù)    5.1.2 光纖連接器    5.1.3 光纖定向耦合器    5.1.4 光波分復(fù)用器    5.1.5 光纖隔離器和環(huán)行器    5.1.6 窄帶光學(xué)濾波器    5.1.7 光纖光柵    5.1.8 光開(kāi)關(guān)和光衰減器  5.2 光纖有源器件    5.2.1 光纖放大器    5.2.2 光纖激光器  5.3 光纖器件的研究  思考題  參考文獻(xiàn)第6章  光纖光纜的制備  6.1 光纖材料與提純  6.2 光纖預(yù)制棒的制備    6.2.1 CVD制作光纖預(yù)制棒的發(fā)展歷史    6.2.2 MCVD法    6.2.3 VAD法    6.2.4 其他預(yù)制棒制造技術(shù)  6.3 拉絲、涂覆和套塑  6.4 光纖成纜技術(shù)  思考題  參考文獻(xiàn)第7章  光纖通信技術(shù)  7.1 光纖通信系統(tǒng)的基本組成    7.1.1 信源    7.1.2 發(fā)送機(jī)    7.1.3 信道    7.1.4 接收機(jī)    7.1.5 信宿  7.2 光纖通信原理基礎(chǔ)    7.2.1 模擬通信與數(shù)字通信    7.2.2 信息及其度量    7.2.3 信道及信道容量    7.2.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)  7.3 光通信系統(tǒng)的光源和調(diào)制特性    7.3.1 通信中調(diào)制的一般概念    7.3.2 光通信中的光源及其調(diào)制特性  7.4 光纖通信系統(tǒng)中的光放大和光放大器  7.5 光檢測(cè)原理和光檢測(cè)器    7.5.1 光檢測(cè)原理    7.5.2 光檢測(cè)器  7.6 光纖通信系統(tǒng)中的復(fù)用技術(shù)    7.6.1 復(fù)用技術(shù)的基本概念    7.6.2 光時(shí)分復(fù)用技術(shù)    7.6.3 光波分復(fù)用技術(shù)    7.6.4 副載波復(fù)用技術(shù)    7.6.5 光頻分復(fù)用技術(shù)  7.7 相干光纖通信系統(tǒng)    7.7.1 相干檢測(cè)的基本原理    7.7.2 相干光通信的調(diào)制技術(shù)    7.7.3 相干通信的接收機(jī)  7.8 光孤子通信簡(jiǎn)介  7.9 光纖通信分布式網(wǎng)絡(luò)  思考題  參考文獻(xiàn)第8章  光纖傳感技術(shù)  8.1 光纖傳感技術(shù)概述    8.1.1 傳感技術(shù)概述    8.1.2 光纖傳感器概述  8.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)    8.2.1 光纖傳感器利用的物理效應(yīng)    8.2.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)  8.3 光纖傳感器    8.3.1 光纖溫度傳感器    8.3.2 光纖壓力傳感器    8.3.3 光纖流量流速傳感器    8.3.4 光纖位移傳感器    8.3.5 光纖電磁參量傳感器    8.3.6 光纖陀螺    8.3.7 光纖白光干涉?zhèn)鞲衅?   8.3.8 復(fù)用式和分布式光纖傳感器思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章　平板介質(zhì)波導(dǎo)　　平板介質(zhì)波導(dǎo)也稱(chēng)為平面介質(zhì)波導(dǎo)、平板波導(dǎo)，它是各種集成光學(xué)元器件的基礎(chǔ)。對(duì)于平板波導(dǎo)的研究，不但有助于理解光纖傳輸?shù)幕驹恚覍?duì)于合理設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器、耦合器、調(diào)制器等光傳輸器件也是必不可少的?！　∑桨宀▽?dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖2．0—1所示，一般由三層介質(zhì)構(gòu)成：折射率為n1的中間層介質(zhì)構(gòu)成波導(dǎo)芯層，其厚度一般為1～10μm；折射率為n2的底層介質(zhì)構(gòu)成襯底；折射率為，n3的上層介質(zhì)構(gòu)成覆蓋層。襯底與覆蓋層也統(tǒng)稱(chēng)為波導(dǎo)包層，三層介質(zhì)的折射率滿(mǎn)足n1>n2，n3。按照覆蓋層和襯底的折射率是否相同，可將平板波導(dǎo)分為對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)和非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)；按照芯層折射率分布的不同，可將平板波導(dǎo)分為階躍波導(dǎo)（折射率分區(qū)均勻分布）和漸變波導(dǎo)（n1是橫向坐標(biāo)z的函數(shù)）。本章主要討論階躍波導(dǎo)的傳輸特性?！　∮捎谄桨宀▽?dǎo)芯層的厚度非常小，相對(duì)而言，其寬度可以近似地看成無(wú)限大，因此波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布沿寬度方向的變化與沿厚度方向的變化相比非常緩慢?！?/pre>








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