导波光学基础

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光学中的波导理论,有助于充分学习光学知识,此书主要从波导传播的角度讲解了光学特性,需要有一点的电磁基础,等等。
教育部科学技术研究重点项目(210267)资助 中央民族大学自主科研计划项目(0910KYQN58) 2011椠廑中办鷗旗六曾校亟憬 波光学基础 Foundations for Guided-Wave Optics ◎杨笛任国斌王义全/编著 单、 ∵。 ,, 中·中 2中 …∷ ∷:∷∷ ∷:∷∷∷∷ 4: ∷∷ 在中 当A垂亲 卖瓜兼大步版融 b,指 5e皆 o China Minzu University Press 49:::4 ∴5 (4 ∴: ∠, :::;:::::: 守号射 “当“ ∷:::::::: :: 古要的有和, 图书在版编目(CIP)数据 导波光学基础/杨笛任国斌王义全编著.一北京:中央民 族大学出版社,2012.3 ISBN978-7-5660-0143-6 I.①导…Ⅱ.杨…Ⅲ.①波导光学Ⅳ.①TN25 中国版本图书馆CIP数据核字(2012)第008558号 导波光学基础 编著者杨笛任国斌王义全 责任编辑李苏幸 封面设计布拉格 出版者中央民族大学出版社 北京市海淀区中关村南大街27号邮编:100081 电话:68472815(发行部)传真:68932751(发行部) 68932218(总编室) 68932447(办公室 发行者全国各地新华书店 印刷厂北京宏伟双华印刷有限公司 开本880×1230(毫米)/32印张:825 字数220千字 版次2012年3月第1版2012年3月第1次印刷 书号ISBN978-7-5660-0143-6 定价28.00 版权所有翻印必究 前言 经过几十年的发展,光纤通信已经成为信息领域中的重要支 柱。编著本书的目的是为光通信工程专业或相近专业的高年级本 科生和硕士研究生提供一本系统讲述光波导传输理论的教科书 本书的编著者在光通信领域中从事多年的科研和教学工作,对光 波导理论及相关知识有较为深入的理解,同时,在该学科的教学 研究方面做了较多工作。基于对知识的理解,资料的分析整理 根据教学讲义编著本书。 本书的参考学时为54学时,主要内容如下: 第1章阐述了电磁场的基本理论,重点讲解了麦克斯韦方程 组、波动方程、亥姆霍兹方程和几何光学理论。这一章是分析和 求解光波导中场分布的基本理论,所以是全书的基础。为了使学 生更容易接受和掌握,在内容编排上与前期课程—如电磁学 电动力学的内容紧密相连。第2、3、4章分别讨论了平面光波 导、条形光波导和光纤光波导的求解方法和特性。这三种光波导 的求解难度逐步加深,实用性也逐渐加强。通过对这三章的学 习,学生可以掌握分析光波导的基本方法和思路。第5章讲解了 光纤的损耗和色散,对于它们的形成原因,分析的基本理论和方 法都进行了比较详细的讨论。第6章介绍了光纤中的非线性效 应。重点讨论非线性传输方程,在此基础上介绍了相位调制、四 波混频等非线性效应。最后,第7章阐述了光波导的耦合理论。 2·导波光学基础 为了便于理解,本章按照波导耦合方式的不同,分成横向耦合和 纵向耦合两大类,并且引入了实例进行讲解。 本书的第1章至第4章由杨笛执笔,第5章和第6章由任国 斌执笔,第7章由王义全执笔。 导波光学基础涉及到多个学科,例如电磁场理论、微波理论 与技术、电动力学、量子力学以及通信理论等。尽管编著者有多 年从事电磁场理论、光波导理论、光纤通信领域教学科研工作的 经历,但毕竟学识有限,书中若有不妥乃至錯误之处,望读者不 吝赐教。 编著者 2011年9月 目录 第1章电磁场理论基础 1麦克斯韦方程组 ………………(2) 1.1.1麦克斯韦方程组 (2) 1.1.2电磁场边界条件… 1.1.3坡印廷矢量 ·····鼻。“●■·●番 (5 1.2波动方程组和亥姆霍兹方程组 (7) 3求解标量产次亥姆霍兹方程 (9) 1.4几何光学理论 1.4. 1 Eikonal方程 1.4.2射线方程 (13) 4.3实例 (14) 第2章平面光波导的分析方法 ……(19) 2.1阶跃型平面光波导的几何光学描述 (20) 2.2渐变型平面光波导的几何光学描述 …………(22 2.3模式场 ···b·····、·····q●·。“s·a.aa (26) 2.3.1模式场的引入 。聊 ………(26) 2.3.2对模式场的理解 (28) 2.3.3模式场各分量的相位关系 (32) 2.3.4模式场的分类… (33) 24阶跃型平面光波导的波动光学描述 ………(35) 2·导波光学基础 2.4.1T模式… (36) 2.4.2TM模式………………………(39) 2.4.3传播模式和辐射模式 (40) 2.4.4截止参数 ……(41) 2.4.5单模传播和模数量 (43) 2.5渐变型平面光波导的波动光学描述 (44) 2.5.1平方律渐变型平面光波导…… 44 2.5.2渐变型折射率平面光波导的WKB近似 曹鲁鲁鲁 (48) 2.5.3渐变型折射率乎面光波导的变分法 (52) 第3章条形光波导 …(58) 3.1马卡梯里近似解法… (60) 3.1.1马卡梯里近似 60) 3.1.2Ex模式 63) 3.1.3E”模式 (66) 3.2微扰法 (67) 第4章光纤的模式理论 (74) 4.1光纤的构造和分类 (74) 4.2光纤中的光线传输…………………(76) 4.2.1光线路径 …(77) 4.2.2数值孔径 …(79) 4.3阶跃光纤的模式理论 (82) 4.3.1矢量模解 电·■●鲁p命非鲁 ……………………(83) 4.3.2导波模的特征方程……………(93) 4.3.3导波模分类…………………(96) 4.3.4导波模的截止参数和单模传输条件 (99) 4.3.5远离截止状态时的导波模 (107) 4.3.6导波的场型图… …(109) 4.4阶跃光纤中的线偏振模 (111 ◎目录◎·3 4.4.1标量近似方法 (112) 4.4.2线偏振模场解及特征方程 (114 4.4.3线偏振模特征 (117) 4.4.4IP模与矢量模之间的对应关系…(120) 4.4.5LP模的功率分布………………(121) 4.4.6多模光纤中的模数量 124) 4.5渐变光纤的解析解法 …(125) 4.5.1抛物线型折射率 分布光纤中的标量近似解 看曹·鲁鲁· (125) 4.5.2传输常数· (131) 4.5.3模式数量 ……………(132) 4.6均匀光纤中导波偏振态的分析…………(134) 4.6.1琼斯矩阵法 ………(134) 4.6.2光纤偏振态的分析 (135) 第5章光纤的损耗和色散…………………(140) 51光纤的损耗 ……………(140) 5.1.1光纤的损耗系数 (141) 5.1.2吸收损耗 (142) 5.1.3散射损耗… (145) 5.1.4光纤弯曲损耗 …………………(148) 52光纤色散的分类 151) 5.2.1模式色散 (154) 5.2.2材料色散和 Sellmeier定律……(155) 5.2.3波导色散… (158) 5.2.4偏振模色散 (159) 5.3光信号在色散光纤中的传播 (162) 5.3.1群时延的概念………(165) 5.3.2脉冲展宽 ……(167) 4·导波光学基础 5.3.3色散的定量描述 174 5.3.4基水传输方程……………(175) 54单模光纤的色散 (176) 5.4.1群时延 (177 5.4.2色散 (179) 54.3单模光纤按照其色散特性的分类 182 第6章光纤中的非线性效应………(186) 6.I非线性传输方程 ……(187) 6.1.1光波与介质的非线性作用……………(187) 6.1.2石英光纤的非线性折射率… (191 6.1.3非线性传输方程 (193 6.2自相位调制(SPM) 199 6.2.1SPM的基本理论描述 ……………(199) 6.2.2超高斯脉冲的SPM谱展宽………(203) 6.2.3色散和SPM对脉冲传输的共同作用………(207) 6.3交叉相位调制(XPM) (207) 6.3.1不同频率的光之间的XPM …(208) 6.3.2正交偏振模式之间的XPM (212) 6.3.3准连续反向传输光波之间的XPM…………(214) 6.4四波混频(FWM)…………………(215) 6.4.1四波混频的概念与准 连续波FWM的非线性传输方程………(215) 6.4.2泵浦光与信号光 ………………(218) 6.4.3FWM光学相位共轭与光谱反转………(220) 6.4.4色散对光纤FWM的影响…………(223) 6.5光纤中的光学孤子…… ……(224) 6.5.1光纤中光学孤立子的基本特性… …(225) 6.5.2影响光孤子传输的主要因素 …(228)

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