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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SRS200

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