光纖技術及應用

《光纖技術及應用》以光的電磁理論為基礎，系統地介紹光纖技術的基本原理、基本器件和光纖通信技術、光纖傳感技術基礎知識。本書可作為光電子技術、電子科學與技術、光信息科學與技術、通信工程等專業本科生的專業課教材，也可供高校相關專業師生和有關科技人員參考。

第1章主要闡述光傳輸的理論基礎，第2章討論平板光波導的傳輸理論，第3、4章詳細討論光纖傳輸原理和光纖傳輸特性，第5章介紹光纖無源和有源器件，第6章簡單地介紹光纖及光纜製造技術，第7章較系統地介紹光纖通信技術，第8章較系統地介紹光纖傳感技術。 ^[1] 

第1章 光傳輸的理論基礎

1.1 麥克斯韋方程和波動方程

1.1.1 麥克斯韋方程和邊界條件

1.1.2 波動方程

1.2 平面光波及其在介質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 程函方程與光線方程

思考題

參考文獻

第2章 平板介質波導

2.1 理想平板波導的射線光學理論

2.1.1 均勻平面光波在平板波導中的傳輸

2.1.2 非均勻平面光波在平板波導中的傳輸

2.2 理想平板波導的波動光學分析

2.2.1 平板波導中的模式

2.2.2 導模

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 非理想波導中的模式耦合

2.4.1 耦合模理論

2.4.2 週期性平板波導

2.4.3 波導問的模式耦合

思考題

參考文獻

第3章 光纖

3.1 光纖的射線光學理論

3.1.1 階躍光纖

3.1.2 梯度光纖

3.2 光纖的波動光學理論

3.2.1 階躍光纖中的矢量解

3.2.2 弱導光纖中場的標量近似解(LP模)

3.2.3 梯度光纖中的導模場解

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

思考題

參考文獻

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 光纖損耗機制

4.2 光纖色散

4.2.1 光纖色散的定義和種類

4.2.2 光信號在色散光纖中的傳輸

4.2.3 色散優化光纖

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 光纖中的非線性效應

思考題

參考文獻

第5章 光纖器件

5.1 光纖無源器件

5.1.1 光纖無源器件的主要性能參數

5.1.2 光纖連接器

5.1.3 光纖定向耦合器

5.1.4 光波分複用器

5.1.5 光纖隔離器和環行器

5.1.6 窄帶光學濾波器

5.1.7 光纖光柵

5.1.8 光開關和光衰減器

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

第6章 光纖光纜的製備

6.1 光纖材料與提純

6.2 光纖預製棒的製備

6.2.1 CVD製作光纖預製棒的發展歷史

6.2.2 MCVD法

6.2.3 VAD法

6.2.4 其他預製棒製造技術

6.3 拉絲、塗覆和套塑

6.4 光纖成纜技術

思考題

參考文獻

第7章 光纖通信技術

7.1 光纖通信系統的基本組成

7.1.1 信源

7.1.2 發送機

7.1.3 信道

7.1.4 接收機

7.1.5 信宿

7.2 光纖通信原理基礎

7.2.1 模擬通信與數字通信

7.2.2 信息及其度量

7.2.3 信道及信道容量

7.2.4 通信系統的主要性能指標

7.3 光通信系統的光源和調製特性

7.3.1 通信中調製的一般概念

7.3.2 光通信中的光源及其調製特性

7.4 光纖通信系統中的光放大和光放大器

7.5 光檢測原理和光檢測器

7.5.1 光檢測原理

7.5.2 光檢測器

7.6 光纖通信系統中的複用技術

7.6.1 複用技術的基本概念

7.6.2 光時分複用技術

7.6.3 光波分複用技術

7.6.4 副載波複用技術

7.6.5 光頻分複用技術

7.7 相干光纖通信系統

7.7.1 相干檢測的基本原理

7.7.2 相干光通信的調製技術

7.7.3 相干通信的接收機

7.8 光孤子通信簡介

7.9 光纖通信分佈式網絡

思考題

參考文獻

第8章 光纖傳感技術

8.1 光纖傳感技術概述

8.1.1 傳感技術概述

8.1.2 光纖傳感器概述

8.2 光纖的光波調製技術

8.2.1 光纖傳感器利用的物理效應

8.2.2 光纖的光波調製技術

8.3 光纖傳感器

8.3.1 光纖温度傳感器

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 光纖白光干涉傳感器

8.3.8 複用式和分佈式光纖傳感器

思考題

參考文獻 ^[1] 

光纖傳感技術是以光電子學、機械學、材料學及計算機信息處理等為基礎的一門新興技術。光纖是光波導的一種，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、可撓性好、抗電磁干擾，耐化學腐蝕、原料豐富、製造過程能耗少、節約大量有色金屬等突出優點，引起了人們的高度重視。隨着光纖製造工藝的不斷髮展、完善以及光電器件性能的不斷提高，光纖的應用由最初的傳像、醫療診斷到通信網絡，從長距離光纖通信到光纖傳感，廣泛應用於醫療、運輸、通信、服務、軍事、能源、教育等各種領域，為信息世界的發展提供了一個有效的媒介。光纖的各種特性直接影響着光纖的各種應用，光纖的各種應用又對光纖特性的改進提出了許多新要求、新課題。

光纖自20世紀60年代問世以來，就已應用於傳遞圖像和檢測技術方面，主要是用於傳遞遠距離和難以接收到的信號。隨着光通信的應用，光纖工藝和技術得到了迅速發展。人們逐漸認識到光纖的許多性質可用於探測各種物理量，光纖傳感技術引起人們極大的重視，成為一個很有生命力的研究和應用領域。

應用光作為檢測技術的手段已經有較長的歷史，光測技術是隨着科學發展同步地發展起來的，激光發明後也是首先考慮應用到測量技術上。由於半導體激光器和光導纖維等光學部件的顯著進步，光測技術進入了一個飛躍時期。尤其是測試技術中低損耗光纖的“光纖敏感元件”的出現，使得作為非接觸、高速度、高精度的測試手段的光測技術又獲得一次飛躍發展。隨着光纖技術與光學波導、集成光學、非線性光學、傅里葉光學、微光學等不斷深入研究和交叉影響及發展，光纖傳感器將在眾多領域中得到更廣泛的應用。

由於光纖傳感器不受電磁干擾，傳輸信號安全，可實現非接觸測量，可做成光纖傳光型及光纖敏感型的各式各樣的傳感器，因而它具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度，適應各種惡劣環境下使用以及非接觸、非破壞和使用簡便等特點。

近年來，傳感器朝着微型化、數字化、智能化、網絡化的方向發展。光纖傳感器具有眾多優異的性能，能夠對應變、壓力、温度、振動、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體等各種參數進行精確測量，適應極端惡劣的環境。

第2章 平板介質波導

平板介質波導也稱為平面介質波導、平板波導，它是各種集成光學元器件的基礎。對於平板波導的研究，不但有助於理解光纖傳輸的基本原理，而且對於合理設計半導體激光器、耦合器、調製器等光傳輸器件也是必不可少的。

平板波導的結構一般由三層介質構成：折射率為n1的中間層介質構成波導芯層，其厚度一般為1～10μm；折射率為n2的底層介質構成襯底；折射率為，n3的上層介質構成覆蓋層。襯底與覆蓋層也統稱為波導包層，三層介質的折射率滿足n1>n2，n3。按照覆蓋層和襯底的折射率是否相同，可將平板波導分為對稱波導和非對稱波導；按照芯層折射率分佈的不同，可將平板波導分為階躍波導（折射率分區均勻分佈）和漸變波導（n1是橫向座標z的函數）。本章主要討論階躍波導的傳輸特性。

由於平板波導芯層的厚度非常小，相對而言，其寬度可以近似地看成無限大，因此波導內電磁場分佈沿寬度方向的變化與沿厚度方向的變化相比非常緩慢。…… ^[1]