光纤光学原理及应用_张伟刚编著_9787302478010_山东红枫叶教育发展有限公司

　　本书以经典电磁场理论和近代光学为基础，系统论述了光纤光学的基本原理、传输特性、设计方法、实现技术及主要应用。全书共12章，具体内容包括：光纤光学的基本概念、重要参数、光学及物化特性，光波在均匀光纤和渐变光纤中传输的光线理论和波动理论，单模光纤、微结构光纤的分类、特性、分析方法及典型设计，典型的光纤无源和有源器件分析、设计及器件发展分析，光纤光栅基本概念、关键因素、基本理论以及典型应用，光纤器件的设计方法和强度型、干涉型及微结构器件的研制，代表性特种光纤及其应用，光纤技术及其发展在通信和传感领域的典型应用，光纤拉制、处理及器件研制新技术，光纤特征参数测量方法及应用；光纤非线性效应理论及其典型应用等。　　本书体系内容具有创新性，理论与应用并重，引入科研方法，吸纳*新成果（包括作者本人及合作者的科研成果），各章附小结、思考与习题。本书可作为高等学校光电子、激光、光学仪器、物理学、信息与通信技术等专业的研究生和本科生教材，也可作为从事光纤通信和光纤传感技术的工程技术人员和其他相关专业人员的参考书。

　　《光纤光学原理及应用》自2012年9月第1版出版以来，已在南开大学等高校作为教材使用了10个学期。本书的编著与出版也是科研成果转化为教材内容、科研与教学有机结合的一种有益尝试。在多年的光纤光学教学实践中，我们不断向学界前辈请教并与同行密切交流，也得到了专业教师、高校学生以及相关领域科技工作者的诸多关心和大力支持，使得本书内容不断充实和提高，作者在此深表敬意和感谢！
　　作者应清华大学出版社的邀请，根据学科发展和教材实际需求，在吸纳相关意见和建议的基础上，对《光纤光学原理及应用》进行修改再版。与第1版相比，第2版在纲目设计、篇章内容、典型实例、应用分析等方面进行了重新梳理、调整和补充，形成了全新的体系和结构，力求突出“体系内容创新、理论应用并重、引入科研方法、吸纳最新成果”的新特色，为读者提供最新的科研案例及研究思路，促进光纤光学领域的课题研究以及专业学习绩效的提高。本书第2版有关修改内容简述如下：
　　(1) 将第1版的10章增加为12章，增加的两章分别为“微结构光纤特性及分析”和“光纤器件设计及研制”；同时，第2版调整了章节顺序，使其知识体系符合内在的逻辑自洽性。
　　(2) 根据新的纲目设计对部分篇章内容进行了调整，如将第1版“第7章光纤技术及其应用”的“7.4 典型光纤传感器”和“7.5 特种光纤及其应用”调整为第2版“第9章光纤器件设计及研制”的“9.3 典型光纤器件研制”和“9.4 特种光纤及其应用”。
　　(3) 根据第2版“第10章光纤技术及其应用”的需要，增加了“10.4 光纤新技术简介”，从光纤拉制、光纤处理和光纤器件研制3个角度简要介绍了光纤新技术。
　　(4) 根据第2版的章节编排需要，增加了器件图片及实例分析，并引入专业科研设计和分析方法，以促进读者发现问题、分析并解决问题能力的提升。
　　(5) 光纤光学技术涉及较多专业缩略语，为行文简便，本书将相关缩略语在书后统一给出，而不在正文中一一注出其英文原形。
　　(6) 第2版的内容面向不同层面的读者，试图满足对光纤光学的专业知识学习、科研方法掌握、光纤课题研究以及工程应用实践等的不同需求，并努力使各方（如专业教师、高校学生以及相关领域科技工作者、科技管理人员等）学习或参考后均能有所裨益。
　　(7) 第2版对主要参考文献和英文缩略语进行了增补，对行文中的不当表述及插图进行了删减、更正和补充。
　　第2版全书共12章，第1章介绍光纤光学的基本概念、重要参数、光学及物化特性，第2章阐述光纤光学的基本理论及其分析思路，第3章和第4章分别阐述均匀、渐变光纤的光线理论和波动理论分析方法及典型应用，第5章阐述均匀、渐变单模光纤的性质及分析方法，第6章阐述微结构光纤的结构、特点、分类、分析方法及典型设计，第7章阐述典型的光纤无源和有源器件设计及应用，第8章阐述光纤光栅基础知识、基本理论以及典型应用，第9章阐述光纤器件的设计步骤、设计方法、研制过程以及代表性的特种光纤及其应用，第10章阐述光纤技术在通信和传感领域的应用并简介光纤新技术，第11章阐述光纤特征参数的测量方法及其应用，第12章阐述光纤非线性效应理论及其典型应用。
　　本书的修订和增补工作全部由作者负责，并得到教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会重点项目“将科研方法引入光电信息专业课程的研究性教学方法探索与实践”的资助。在修改再版过程中，得到了清华大学出版社刘向威博士的大力支持，南开大学严铁毅副教授协助整理了补充资料，北京大学张严昕提出修改意见并校对全书，作者的学生耿鹏程、陈雷、王标、李晓兰、白志勇、高社成、王丽、王松、张芸山、于琳、魏石磊、薛晓琳、周权、张莉瑜、李新宇、李艳萍等以及参加本课程学习的同学提供了有益建议，在此一并表示衷心感谢。
　　限于作者水平，书中可能存在不足之处，敬请读者批评指正。
　　张伟刚2017年5月于南开园

　　第5章
　　CHAPTER 5
　　单模光纤的性质及分析
　　本章首先对单模光纤的特点进行概要阐述，然后对均匀单模光纤进行分析，最后对渐变折射率单模光纤进行分析。
　　5.1引言
　　单模光纤(SMF)是指在一定工作波长下只传输基本模式HE11或LP01的光纤。单模光纤具有极小的色散和极低的损耗，一根单模光纤可传输达几千兆赫兹带宽的信息，无中继距离可达上千千米，在陆地和海底跨洋通信中已成为不可替代的传输线，并将在相干光纤通信系统中起十分重要的作用。另一方面，利用单模光纤的结构特性、物化特性以及传输特性等，可以研制出诸如光纤耦合器、光纤偏振器、光纤滤波器、光纤隔离器、光纤光开关以及光纤光栅等光无源器件；而利用其非线性效应，还可研制光纤激光器、光纤放大器等光有源器件，并应用于测量和信息处理等。此外，单模光纤中基模的振幅、相位、偏振等参数对于各种外界物理量(如温度、应力、振动、转动、磁场、电场等)极为敏感，利用这种敏感特性，可以设计并研制出灵敏度极高的各种光纤传感器。与多模光纤相比，单模光纤主要有以下特点。
　　(1) 芯径和折射率差小。
　　单模光纤的芯径和折射率差比多模光纤要小一些，二者满足如下数学关系：
　　V=ak0n21－n22≤2.405(5.1)
　　单模光纤的纤芯直径约为10μm。
　　(2) 色散效应低。
　　由于单模光纤只传输基模，几乎没有模失真，因此它的模间色散比多模光纤要小得多。实际的单模光纤(熔石英光纤)的色散值要比多模光纤的色散值小一两个数量级，因而具有更大的带宽距离积，可达几十吉赫兹千米。
　　(3) 双折射现象。
　　双折射是单模光纤与多模光纤的最大区别。多模光纤由于存在的模式极多，各模式之间的偏振问题并不重要。但对单模光纤而言，由于实际上它包含两个相互正交的偏振模，因而模式的偏振态在传输过程中的变化是一个极为重要的问题。目前，光纤光学中的一个新分支——偏振光学正在形成之中。
　　单模光纤的结构一般是多层的，其横截面的折射率分布种类很多，可用如下形式表述：
　　n2(r)=n211－2Δrag(0≤r≤a)
　　n22(r>a)(5.2)
　　式中，Δ是相对折射率差，n1>n2，g是折射率分布参数，它决定了折射率分布曲线的形状。当g=∞，2，1时，分别对应于阶跃折射率分布、平方律分布和三角分布的光纤。
　　本章将对单模光纤的特点和基本性质、均匀单模光纤和渐变单模光纤中的模场进行讨论。
　　5.2均匀单模光纤分析
　　5.2.1模场精确分析
　　5.2.1.1场的基模分析
　　均匀单模光纤是指折射率呈理想阶跃型分布的光纤，即光纤是理想的圆柱光波导。只要满足式(5.1)，这种光纤只适合传输基模，即两个HE11模。这两种模式具有相
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