《通信光纤》求取 ⇩

1.2　从“烽火到光纤通信1

附录5A.4　式（5.136）～（5.139）的推导（常数A～G，ψ和β1

1.2.1 目视光通信1

目录1

第一章　概论1

1.1　前言1

1.2.2　电气通信技术的高频率化3

1.2.3　传光线路的探索4

1.2.4　光纤问世7

1.3　光纤的特征9

1.4 小结10

1.5　本书的目的与构成11

习题12

参考文献12

2.2.1　麦克斯韦方程14

2.1 前言14

2.2　波动光学基础14

第二章　基本概念14

2.2.2　波动方程15

2.2.3　传播常数16

2.2.4　沿z方向行进的平面波17

2.2.5　波导的分类（表面波的概念）18

2.2.6　传输功率20

2.2.7　相速度与群速度21

2.2.8　κ-β图21

2.2.9　偏振光（偏振波）22

2.3　光纤的种类和色散特性25

2.3.1　多模光纤与单模光纤25

2.3.2　光纤的色散26

2.3.3　各种色散的大小比较27

2.3.4　非均匀纤芯的光纤28

2.3.5　单模光纤材料色散与波导色散的相消30

2.3.6　自旋式单模光纤30

2.3.7　单偏振波单模光纤31

2.4.1　损耗的主要原因31

2.4　光纤的传输损耗31

2.4.2　实际光纤的损耗波长特性33

2.5　光纤的制造法33

2.5.1　制法种类33

2.5.2　双坩埚法34

2.5.3　MCVD法34

2.5.4　VAD法35

参考文献37

习题37

第三章　光纤的光线理论分析38

3.1 前言38

3.2.1　均匀纤芯光纤中的光线种类40

3.2　均匀纤芯光纤的光线理论分析40

3.2.2　子午光线的分析40

3.2.3　数值孔径41

3.2.4　子午光线的色散41

3.2.5　斜光线分析42

3.2.6　Goos-H？nchen相移43

3.3　光线理论的基本方程44

3.3.1　不均匀介质中的光线理论44

3.3.2　程函方程45

3.3.3　光线方程47

3.4　非均匀纤芯光纤的光线理论分析49

3.4.1　非均匀纤芯光纤中的光线种类49

3.4.2　基本方程49

3.4.3　解的实例（Ⅰ）——子午光线50

3.4.4　与均匀纤芯的情形比较53

3.4.5　解的的实例（Ⅱ）——螺旋光线53

3.5　小结54

习题56

参考文献56

第四章　均匀纤芯光纤的波动理论分析58

4.1 前言58

4.2.1　直角坐标系中的波动方程59

4.2　基本方程的推导59

4.2.2　柱坐标系中的波动方程60

4.3　条形光波导中的光波61

4.3.1　均匀纤芯光纤与条形光波导的对应关系61

4.3.2　波动方程的通解62

4.3.3　纤芯和包层中的解（TE模）63

4.3.4　传播特性65

4.3.5　光线理论的分析65

4.4　均匀纤芯光纤中的光波67

4.4.1　波动方程的通解67

4.3.6　波动理论和光线理论的结果比较67

4.4.2　纤芯与包层中的电磁场的解68

4.4.3　模的分类71

4.4.4　本征方程（精确解）71

4.4.5　本征方程（弱波导近似解）74

4.4.6　本征方程的统一形式74

4.5.2　各模传播特性的决定76

4.5　均匀纤芯光纤的性质76

4.5.1　传播模、辐射模、漏泄模76

4.5.3　模序号l的意义和截止频率77

4.5.4　LP模80

4.5.5　色散曲线81

4.5.6　多模光纤与单模光纤82

4.5.7　电磁场分布82

4.6　均匀纤芯光纤的色散特性87

4.6.1　产生色散的各种原因87

4.6.2　群时延的表示式87

4.6.3　多模色散89

4.6.4　波长色散90

4.6.5　波导色散91

4.6.7　偏振波色散92

4.6.6　材料色散92

4.6.8　各种色散大小的比较93

4.7　小结95

习题96

参考文献96

第五章　非均匀纤芯光纤的波动理论分析97

5.1　前言97

5.2　非均匀纤芯光纤的基本方程和模的概念98

5.2.1　基本方程的推导99

5.2.2　矢量波动方程与标量波动方程100

5.2.3　柱坐标系中的标量波动方程101

5.2.4　对应于各种模的波动方程及其解102

5.2.5　标量波动方程和LP模的概念108

5.2.6　轴向与横向电磁场函数的关系109

5.2.7　边界条件111

5.2.8　标量波分析112

5.2.9　矢量波分析112

5.3 非均匀纤芯光纤的WKB法分析113

5.3.1　基本概念113

5.3.2　传播模的WKB法分析115

5.3.3　WKB法近似解的精度118

5.3.4　转折点附近的解118

5.3.5　解的连续性和本征方程的推导120

5.3.6　漏泄模的WKB法分析121

5.4 多模光纤传播特性的WKB法计算122

5.4.1　传播模数123

5.4.2　群时延和α的最佳值127

5.4.3　脉冲响应128

5.5 非均匀纤芯光纤的Rayleigh-Ritz法分析130

5.5.1　变换成变分问题的方法131

5.5.2　本征方程133

5.5.4　群时延135

5.5.3　本征方程的数值解135

5.6　α次方分布的光纤的幂级数展开法分析138

5.6.1　概说138

5.6.2　“带沟”或“带阶”的α次方分布139

5.6.3　本征方程的推导139

5.6.4　截止条件141

5.6.5　群时延142

5.6.6　传播特性的计算结果142

5.7 关于多模光纤最佳折射率分布的几点提示147

5.7.1　α和ρ的最佳值147

5.7.2　纤芯-包层界面上折射率分布的“沟”的效应148

5.8　非均匀纤芯光纤的有限元法分析149

5.8.1　概说149

5.8.2　变分公式化151

5.8.3　变分问题借有限元法求解152

5.8.4　标量波近似155

5.8.5　标量波近似产生的误差156

5.9　非均匀纤芯光纤的阶段近似法分析159

5.9.1　概说159

5.9.2　基本方程159

5.9.3　本征方程162

5.10　小结163

5.9.4　电磁场分量的计算163

5.9.5　群时延163

习题165

参考文献165

第六章　非轴对称光纤的分析167

6.1 前言167

6.2　单偏振光纤的种类和特性169

6.2.1　单线偏振光纤169

6.2.2　单圆偏振光纤171

6.3.2　分析法概述172

6.3.1　各种分析方法172

6.3　椭圆纤芯光纤的分析172

6.3.3　分析结果示例173

6.4　具有非轴对称折射率分布的光纤的有限元法分析175

6.4.1　概说175

6.4.2　二维有限元法的公式化176

6.4.3　本征方程177

6.4.4　数值计算例（计算精度的研究）180

6.4.5　乱真模182

6.5.1　基本方程183

6.4.6　非轴对称折射率分布时的计算例183

6.5　具有非轴对称内应力分布的光纤的有限元法分析183

6.5.2　非轴对称光纤的模双折射率186

6.5.3　椭圆纤芯光纤的波导结构双折射率与应力感生双折射率186

6.5.4　鞍槽形光纤的偏光特性与应力分析188

6.6.1　概说190

6.6　扭转式单模光纤中的光波传播190

6.6.3　有扭转的状态（在忽略旋光性的条件下公式化）192

6.6.2　无扭转的状态192

6.6.4　考虑到扭转产生旋光性的条件下公式化194

6.6.5　表示偏振状态的解与计算结果195

6.7　小结198

习题199

参考文献199

7.1 前言202

第七章　多模光纤的特性和设计202

7.2　α次方分布的多模光纤203

7.2.1　α次方折射率分布时的群时延203

7.2.2　α的最佳值204

7.3　折射率分布和脉冲响应206

7.3.1　任意折射率分布多模光纤的脉冲响应206

7.3.2　理论同实测特性的比较209

7.3.3　折射率凹坑的影响209

7.3.4　条纹的影响211

7.4.1　约束条件214

7.4　最佳折射率分布的合成214

7.4.2　光纤传播特性的变分法分析215

7.4.3　多模色散的指标216

7.4.4　用Newton-Raphson法修正折射率分布216

7.4.5　合成的结果219

7.5　广波长区低色散多模光纤的设计223

7.5.1　基本方程223

7.5.2　GeO2-B2O3-SiO2系226

7.5.3　GeO2-P2O5-SiO2系228

7.6　小结230

习题232

参考文献232

第八章　单模光纤的特性和设计233

8.1　前言233

8.2　光纤的单模条件235

8.2.1　基本公式的推导235

8.2.2　归一化截止频率的近似式236

8.3.1　材料色散和波导色散238

8.3　单模光纤的色散238

8.3.2　零色散波长239

8.4　W形光纤240

8.4.1　W形光纤的设计思想240

8.4.2　本征方程240

8.4.3　色散特性243

8.5　在1.55μm波段具有零色散的单模光纤244

8.5.1　结构参量和零色散波长244

8.5.2　考虑到弯曲损耗和接续损耗时的最佳设计245

8.6　在宽波段内具有低色散的单模光纤246

8.6.1　设计用的基本方程247

8.6.2　各种单模光纤的波导色散248

8.6.3　高折射率差的均匀纤芯光纤250

8.6.4　Ω形光纤251

8.6.5　Ω形光纤的色散特性253

8.7　单偏振光纤254

8.7.1　概说254

8.7.2　鞍槽形光纤254

8.7.3　鞍通道形光纤256

8.7.4　内应力形双折射光纤259

8.7.6　单线偏振光纤同单圆偏振光纤的优缺点比较260

8.7.5　单圆偏振光纤260

8.8　小结262

习题263

参考文献263

第九章　具有结构不均匀性光纤的理论266

9.1　前言266

9.2　功率耦合方程267

9.3　两个模之间的模变换269

9.3.1　基本方程269

9.3.2　对单偏振光纤的要求270

9.4.1　模变换对色散特性的改善271

9.4 多模光纤中的模变换对色散特性的改善271

9.4.2　模的简并272

9.4.3　耦合方程273

9.4.4　脉冲响应276

9.4.5　脉冲时延和脉冲宽度279

9.5　小结281

习题282

参考文献282

第十章　光纤折射率分布的测量283

10.1 前言283

10.2.1　纵向干涉法285

10.2 多模光纤的折射率分布测量方法285

10.2.2　横向干涉法289

10.2.3　数值孔径扫描法292

10.2.4　端面反射法295

10.2.5　会聚法297

10.3 单模光纤的折射率分布测量方法299

10.3.1　散射图样法300

10.3.2　远射图样法304

10.4　预制棒的折射率分布测量方法307

10.4.1　空间滤波法307

10.4.2　横向干涉法的应用309

10.5 二维折射率分布测量方法311

10.5.1　用三角掩模法对预制棒进行二维折射率分布的测量313

10.5.2　用数值孔径扫描法对预制棒进行二维折射率分布的测量315

10.5.3　用散射图样法对单模光纤进行二维折射率分布的测量316

10.6 小结318

习题319

参考文献319

第十一章　光纤色散特性的测量323

11.1　前言323

11.1.1　色散的种类323

11.1.2　色散大小的表示方法324

11.2　色散特性测量方法的分类325

11.3.1　测量系统的构成326

11.3　脉冲法326

11.3.2　脉冲响应的表示方法327

11.3.3　脉冲响应的简单表示328

11.3.4　脉冲响应的正确计算方法——傅里叶变换法329

11.3.5　多模色散分离测量法329

11.3.6　往复脉冲法331

11.3.7　模群类别多模色散测量法334

11.4　扫描调制法337

11.4.1　测量系统的构成337

11.4.2　总色散测量实例338

11.5　频谱分析法339

11.4.3　多模色散分离测量法339

11.6 利用光纤喇曼激光器进行的色散测量方法341

11.6.1　测量系统的构成341

11.6.2　多模光纤传输频带随波长变化的特性测量343

11.7　单模光纤的色散测量方法344

11.7.1　波长扫描测量法344

11.7.2　色散特性的差分法测量345

11.7.3　单偏振光纤的传播常数差△β的测量346

11.7.4　单偏振光纤的偏振（模）色散的测量349

11.8　小结352

习题354

参考文献354

第十二章　光纤传输损耗的测量和有关测量技术356

12.1　前言356

12.2　光纤传输损耗的测量方法358

12.2.1　损耗特性测量方法的分类358

12.2.2　分光特性测量法359

12.2.3　1/λ4图示法360

12.3　光纤单模条件的测量方法362

12.3.1　测量方法的原理和分类362

12.3.2　弯曲损耗法363

12.4.1　利用反射光测量故障点位置和损耗分布的原理365

12.4　光纤故障点位置和损耗分布的测量方法365

12.4.2　费涅耳反射强度和后向瑞利散射强度367

12.4.3　改善信噪比的方法和测量例369

12.4.4　改善距离分辨能力的方法和测量例371

12.5　小结373

习题375

参考文献375

习题略解377

附录387

附录3A.1　式（3.12）的推导387

附录3A.2　式（3.56）的推导388

附录3A.3　式（3.78）的推导389

附录4A.1 圆柱座标系中的波动方程推导390

附录4A.2　贝塞耳函数各公式390

附录5A.1　基本方程式（5.7）～（5.12）的推导391

附录5A.2　式（5.23）的推导396

附录5A.3　Airy函数Ai（x）、Bi（x）的定义及其公式397

的确定）398

附录5A.5　式（5.198）的推导401

附录5A.6　归一化截止频率的严格值402

附录5A.7　泛函［式（5.242）］妥当性的证明404

附录5A.8　由式（5.258）推导出标量波动方程的证明406

附录6A.1　式（6.56）和式（6.58）的推导407

附录6A.2　式（6.63）的推导408

附录9A.1　平方分布光纤的模的简并（9.4.2节）409

附录9A.2　式（9.36）的推导410

附录9A.3　式（9.39）的稳定解411

附录10A.1　汉克尔变换中的抽样定理（10.3.1节）412