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绪论1

第一篇 光纤光学的基础理论与知识6

第1章 光纤波导的电磁理论基础6

1.1 麦克斯韦方程组与物质方程组6

1.1.1 麦克斯韦方程组6

1.1.2 物质方程组7

1.1.3 各向同性、均匀、透明介质中的麦克斯韦方程组与物质方程组8

1.2 波动方程8

1.2.1 各向同性、非均匀（与r有关）、有源介质中的波动方程8

1.2.2 各向同性、非均匀、无源介质中的波动方程9

1.2.3 各向同性、渐变折射率光纤中的波动方程9

1.2.4 各向同性、阶跃型折射率光纤中的波动方程9

1.3 亥姆霍兹方程（正弦稳态波动方程）10

1.4 各向同性、均匀介质圆柱光波导（阶跃光纤）中光波的传播12

1.4.1 均匀介质圆柱光波导（阶跃光纤）芯中的光波传播12

1.4.2 均匀光波导界面处全反射条件下的波场分析——表面波13

习题与概念思考题115

第2章 光纤传输机理的光线理论分析16

2.1 光在阶跃型圆柱光纤中的传播规律16

2.1.1 光在理想阶跃型直圆柱光纤中的传播规律16

2.1.2 圆柱阶跃光纤的形状偏差对子午光线传播规律的影响22

2.2 光线理论的基本方程24

2.2.1 非均匀介质中的光线理论——程函方程24

2.2.2 光线微分方程（射线方程）26

2.3 光在渐变折射率光纤中的传播规律31

2.3.1 能实现子午光线自聚焦（消色散）的折射率分布规律的分析31

2.3.2 空间光线在梯度折射率分布光纤中的传播规律33

2.4 自聚焦光纤、透镜及其成像特性34

2.4.1 平方律分布自聚焦光纤中的光线轨迹与特性分析34

2.4.2 自聚焦透镜的成像特性——近轴成像37

习题与概念思考题242

第3章 阶跃与渐变折射率光纤的波动理论分析43

3.1 阶跃折射率光纤的波动理论分析与模式概念43

3.1.1 阶跃光纤中基本波动方程的推导43

3.1.2 阶跃光纤中波动方程的求解48

3.1.3 阶跃光纤中的模式分析55

3.1.4 弱波导条件下本征方程的近似解与线性极化（LP）模63

3.1.5 阶跃光纤中各种模的电磁场与光功率分布、模数估算70

3.1.6 单模光纤74

3.2 渐变折射率光纤的标量近似理论分析78

3.2.1 渐变折射率光纤的折射率分布78

3.2.2 渐变折射率多模光纤的标量近似分析78

习题与概念思考题382

第4章 光纤的特性83

4.1 光纤的传输特性83

4.1.1 光纤的损耗特性83

4.1.2 光纤的色散特性89

4.1.3 光纤的偏振特性103

4.1.4 光纤的非线性效应108

4.2 光纤的物理化学特性111

4.2.1 光纤的机械性能111

4.2.2 光纤的热性能112

4.2.3 光纤的耐电压性能113

习题与概念思考题4113

第5章 光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆114

5.1 光纤的材料与制造114

5.1.1 玻璃光纤（多组分玻璃光纤）114

5.1.2 熔石英光纤（石英系光纤）116

5.1.3 塑料光纤123

5.2 光纤的分类125

5.2.1 传光与传像光纤126

5.2.2 通信光纤128

5.2.3 特种光纤136

5.3 光缆140

5.3.1 光纤成缆的必要性与设计制造要求141

5.3.2 构成光缆的结构要素142

5.3.3 常用光缆的典型结构143

5.3.4 光缆型号的命名方法与举例146

习题与概念思考题5147

第6章 无源与有源光器件148

6.1 光纤连接器148

6.1.1 光纤的连接损耗及影响因素149

6.1.2 光纤连接器的结构类型152

6.2 光纤耦合器155

6.2.1 光耦合器的概念与主要类型155

6.2.2 光纤定向耦合器158

6.3 光隔离器、光环行器、光衰减器162

6.3.1 光隔离器162

6.3.2 光环行器165

6.3.3 光衰减器166

6.4 光纤光栅166

6.4.1 光纤光栅的功能与机理166

6.4.2 光纤光栅的主要应用168

6.5 光滤波器170

6.5.1 干涉滤波器171

6.5.2 F-P腔型窄带光滤波器172

6.5.3 声光可调谐滤波器（AOTF）174

6.5.4 均衡滤波器175

6.6 光波分复用器176

6.6.1 光波分复用技术176

6.6.2 光波分复用器179

6.7 光开关器件184

6.8 光放大器187

6.8.1 几种类型光放大器的基本原理187

6.8.2 光放大器的特性参数190

6.8.3 光放大器的应用191

习题与概念思考题6191

第二篇 光纤技术应用193

第7章 光纤在传光照明、能量信号传输与控制方面的应用193

7.1 玻璃光纤在照明、能量与信号传输方面的应用193

7.1.1 玻璃光纤传光束193

7.1.2 导光棒196

7.2 石英光纤在照明、能量传输等方面的应用196

7.2.1 大芯径石英光纤196

7.2.2 石英光纤束197

7.2.3 石英导光棒197

7.3 液芯光纤及其应用197

7.4 塑料光纤（POF）在照明、装饰中的应用198

7.4.1 端面发光POF的应用198

7.4.2 侧面发光POF的应用200

7.5 日光采集、光纤传输照明系统201

7.6 光纤在光信号及能量传输控制与传感领域中的应用202

7.6.1 光纤连接线、光纤跳线、工控光纤202

7.6.2 光纤中光信号能量传输与控制在高压直流输电系统中的应用203

7.6.3 双向自主控制的光纤闭路视／音频信息传输系统205

习题与概念思考题7209

第8章 光纤传像器件、系统与应用210

8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统210

8.1.1 光纤传像器件（光纤传像束，光纤面板以及微通道板）210

8.1.2 光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）226

8.2 光纤传像系统的像质优化技术234

8.2.1 动态扫描法优化像质的方案235

8.2.2 波分复用优化像质的方案236

8.3 光纤编码传像239

8.3.1 线阵光纤束的波长编码传像原理239

8.3.2 时间编码的方案实现240

8.3.3 线阵光纤束λ-t编码复用实验系统与二维图像的传输效果240

习题与概念思考题8241

第9章 光纤通信技术242

9.1 概述242

9.1.1 光纤通信的发展史242

9.1.2 光纤通信的特点243

9.1.3 光纤通信系统简介244

9.1.4 光纤通信关键技术245

9.1.5 光纤通信的类型与应用247

9.2 光源与光发送机248

9.2.1 光纤通信对光源器件的要求248

9.2.2 发光二极管（LED）249

9.2.3 半导体激光器（LD）253

9.2.4 光发送机259

9.2.5 光发送机的主要技术指标268

9.3 光电检测器与光接收机269

9.3.1 光接收机组成概述269

9.3.2 光电检测器270

9.3.3 光接收机277

9.3.4 光接收机的主要技术指标281

9.3.5 线路编码282

9.4 光中继器285

9.5 光纤通信系统286

9.5.1 模拟光纤通信系统287

9.5.2 数字光纤通信系统290

9.5.3 数字光纤通信系统设计298

9.6 光纤通信网络303

9.6.1 SDH传送网304

9.6.2 波分复用光网络306

9.6.3 光接入网307

9.6.4 光分组交换网316

9.6.5 光传送网317

9.6.6 智能光网络318

9.6.7 光突发交换网络319

9.7 相干光通信319

9.7.1 相干检测原理319

9.7.2 相干光通信系统的优点和关键技术321

9.8 光孤子通信321

9.8.1 光孤子概念321

9.8.2 光孤子通信系统的组成和工作原理322

9.9 光纤通信技术在军事中的应用323

9.9.1 光纤通信技术在军事中的应用概述323

9.9.2 光纤制导系统326

9.9.3 光纤制导双向信息传输系统327

习题与概念思考题9329

第10章 光纤传感技术331

10.1 光纤传感技术概述331

10.1.1 光纤传感器基本工作原理331

10.1.2 光纤传感器的组成332

10.1.3 光纤传感器的分类333

10.1.4 光纤传感器的特点334

10.2 光强调制型光纤传感器335

10.2.1 非功能型光强调制335

10.2.2 功能型光强调制339

10.2.3 天然气水合物相变测试用光纤传感器341

10.3 光相位调制型光纤传感器342

10.3.1 光相位调制原理342

10.3.2 光纤干涉仪344

10.3.3 相位调制型光纤传感器345

10.4 光偏振调制型光纤传感器349

10.4.1 光偏振调制原理349

10.4.2 光偏振态的检测351

10.4.3 偏振调制型光纤传感器应用352

10.5 光波长调制型光纤传感器354

10.5.1 光纤光栅光波长调制原理354

10.5.2 波长调制的解调方法355

10.5.3 光纤光栅传感器356

10.6 光频率调制型光纤传感器358

10.6.1 光学多普勒效应358

10.6.2 频率检测359

10.6.3 频率调制光纤传感器应用360

10.7 分布式光纤传感器361

10.7.1 分布式光纤温度传感器362

10.7.2 分布式光纤应力传感器363

10.7.3 分布式微弯光纤传感器363

10.7.4 分布式Sagnac光纤应力传感器364

10.8 光纤传感技术在物联网中的应用365

10.8.1 物联网的基本原理366

10.8.2 “三纤合一”的光纤物联网络366

10.8.3 基于光纤物联网技术的智能电网输配电设备监测系统367

10.8.4 基于光纤物联网技术的智能周界入侵防范系统369

10.8.5 基于光纤物联网的桥梁健康监控系统371

习题与概念思考题10372

参考文献373