特种光纤与光纤通信

目前，国内外专门介绍特种光纤在光纤通信中应用的书籍非常少。本书以经典电磁场理论和光纤光学为基础，系统论述了特种光纤的原理、特性、设计方法、制备技术及其在光纤通信中的主要应用。书稿内容全面、详细而新颖，贴近工程应用实际，具有很高的学术价值和应用价值，填补了国内外此类书籍的空白，对特种光纤技术和光纤通信技术的进一步研究有着重要作用。 

作为现代通信技术的重要分支，光纤通信的传输信息容量大、抗电磁干扰、保密性好、体积小、重量轻，这些特点使其具有替代传统电缆通信的优越性。
特种光纤是指除常规通信光纤以外的具有特殊功能的光纤。具有特殊性能的特种光纤，以及由特种光纤制成的具有特殊功能的光器件，也逐渐受到高度青睐和重视。光纤通信的飞速发展促进了特种光纤的不断深入研究，新型的特种光纤和光纤器件纷纷出现，它们的应用范围也越来越广。品种繁多的特种光纤层出不穷，不仅在光通信和光传感中占据着越来越重要的地位，而且在工业、电力、军事、航空航天、生物医学等方面也发挥着越来越重要的作用。
本书基于作者多年来的研究成果，并参考了国内外光学经典著作和*科技文献。通过阐述特种光纤的基本概念、基本原理、制备技术等，突出特种光纤与光纤通信相结合的特色，让读者系统地掌握光纤通信用特种光纤的基本理论、关键技术、测试原理等，并了解其应用领域和未来发展趋势。

上海大学教授，上海市特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地主任，《光电子•激光》常务副主编，Opto-electronics Letters常务副主编。主要从事特种光纤、光纤通信与传感、光电信号处理的研究工作。曾承担973课题、国家自然基金重点项目、国际合作与交流重点项目、上海市重点攻关项目及企业合作项目等。

第1章绪论1
§1.1特种光纤的定义和分类1
§1.2特种光纤的研究进展2
1.2.1掺稀土光纤2
1.2.2掺半导体光纤3
1.2.3保偏光纤3
1.2.4抗辐射光纤4
1.2.5光子晶体光纤5
1.2.6少模光纤6
1.2.7包层模谐振光纤6
1.2.8传能光纤7
1.2.9微纳光纤7
1.2.10塑料光纤8
1.2.11其他新型特种光纤9
§1.3光纤传输的基本理论9
1.3.1子午线传输特性10
1.3.2斜光线传输特性11
1.3.3波动方程11
1.3.4模式分类13
§1.4光纤的特性18
1.4.1截止波长19
1.4.2光纤的损耗19
1.4.3光纤的色散20
§1.5特种光纤的发展趋势21
参考文献23

第2章特种光纤的制备技术27
§2.1一次特种光纤制备技术27
2.1.1常规光纤制备技术27
2.1.2基于MCVD的InP薄膜内包层光纤制备31
2.1.3基于MCVD和溶液浸泡法的掺铋光纤制备32
2.1.4基于MCVD和溶胶凝胶法的纳米量子点放大光纤制备32
2.1.5基于MCVD和ALD技术的掺杂特种光纤制备34
2.1.6紫外光纤制备39
§2.2二次特种光纤制备技术39
2.2.1相位掩模法制作光纤布拉格光栅40
2.2.2CO2激光技术制作长周期光纤光栅43
2.2.3光纤法布里珀罗腔的制备48
参考文献55

第3章特种光纤无源光器件60
§3.1光纤滤波器60
3.1.1光纤光栅滤波器60
3.1.2FP光纤滤波器64
3.1.3MZ光纤滤波器65
3.1.4Michelson光纤滤波器65
3.1.5Sagnac光纤滤波器66
3.1.6光子晶体光纤滤波器67
3.1.7双包层光纤滤波器68
§3.2光纤耦合器71
3.2.1保偏光纤耦合器72
3.2.2光子晶体光纤耦合器73
3.2.3塑料光纤耦合器74
§3.3光纤偏振器74
§3.4光纤波分复用器75
§3.5光纤连接器76
§3.6光纤色散补偿器78
3.6.1色散补偿光纤78
3.6.2光纤光栅色散补偿器78
3.6.3光子晶体光纤色散补偿器79
参考文献81

第4章特种光纤非线性效应85
§4.1掺杂光纤非线性效应85
4.1.1掺铒光纤86
4.1.2高掺锗非线性光纤86
4.1.3硫系光纤87
4.1.4掺磷光纤88
§4.2保偏光纤非线性效应88
§4.3光子晶体光纤非线性效应90
4.3.1脉冲压缩91
4.3.2超连续谱产生91
4.3.3全光波长转换92
§4.4特种光纤拉曼散射效应93
§4.5特种光纤非线性折射率系数95
4.5.1干涉法测量光纤共振非线性的原理95
4.5.2掺铋光纤非线性折射率系数97
4.5.3掺铪光纤非线性折射率系数99
4.5.4掺铌光纤非线性折射率系数101
4.5.5共振非线性测量的影响因素分析102
参考文献104

第5章特种光纤与光纤激光器108
§5.1掺稀土光纤激光器108
5.1.1掺铒光纤激光器109
5.1.2掺镱光纤激光器114
5.1.3其他掺稀土光纤激光器116
§5.2双包层光纤激光器116
5.2.1LD泵浦掺Yb3 双包层光纤激光器118
5.2.2连续波铒镱共掺双包层光纤激光器118
5.2.3调Q双包层光纤激光器119
5.2.4锁模双包层光纤激光器120
5.2.5双包层光纤光栅多波长光纤激光器120
§5.3保偏光纤激光器121
5.3.1锁模保偏光纤激光器121
5.3.2双包层保偏光纤激光器122
5.3.3保偏光纤光栅激光器122
5.3.4调频窄线宽保偏光纤激光器123
§5.4光子晶体光纤激光器124
5.4.1可调谐光子晶体光纤激光器124
5.4.2光子晶体光纤拉曼激光器125
5.4.3掺Yb3 双包层光子晶体光纤激光器125
5.4.4线偏振短脉冲光子晶体光纤激光器126
5.4.5基于光子晶体光纤MZ干涉仪的可调谐光纤激光器126
参考文献128

第6章特种光纤与光纤放大器132
§6.1掺稀土光纤放大器132
6.1.1掺铒光纤放大器133
6.1.2掺镱光纤放大器138
6.1.3掺铥光纤放大器140
6.1.4掺镨光纤放大器143
§6.2双包层光纤放大器145
6.2.1双包层掺稀土光纤放大器145
6.2.2单频双包层光纤放大器146
6.2.3脉冲双包层光纤放大器147
§6.3光子晶体光纤放大器148
6.3.1偏振保持窄线宽光子晶体光纤放大器149
6.3.2高功率光子晶体光纤放大器149
§6.4聚合物光纤放大器150
6.4.1掺杂有机染料的POFA151
6.4.2掺杂稀土螯合物的POFA151
§6.5渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器152
6.5.1半导体量子点放大光纤的理论仿真153
6.5.2半导体量子点放大光纤的制备技术158
6.5.3放大光纤的制作及测试160
§6.6拉曼光纤放大器161
6.6.1基于FBG的EDFA/RFA混合光纤放大器161
6.6.2基于高非线性光纤的拉曼光纤放大器161
6.6.3光子晶体光纤拉曼光纤放大器163
参考文献165

第7章抗弯/少模光纤与光纤通信169
§7.1抗弯光纤与光纤通信169
7.1.1抗弯光纤的基本特性170
7.1.2抗弯光纤的制备方法171
7.1.3抗弯光纤与光纤到户174
7.1.4抗弯光纤与高速数据传输176
§7.2少模光纤与光纤通信178
7.2.1少模光纤的基本特性178
7.2.2少模光纤的设计和制备179
7.2.3少模光纤光栅182
7.2.4少模光纤模分复用184
参考文献188

第8章特种光纤与运动无线光通信192
§8.1运动无线光通信192
§8.2基于特种光纤的无线光通信193
8.2.1特种实心耦合光锥193
8.2.2光束发散角可调的球面单透镜式光发射天线197
8.2.3单透镜光锥耦合式光接收天线198
8.2.4直线运动无线光通信系统199
8.2.5典型应用199
§8.3基于特种光纤的旋转连接光通信200
8.3.1单通道光纤旋转连接器201
8.3.2基于特种光锥的光纤旋转连接器202
8.3.3多通道光传输准直型光纤旋转连接器203
8.3.4典型应用207
§8.4波分复用光纤旋转连接技术208
参考文献211

索引214
第1章绪论1
§1.1特种光纤的定义和分类1
§1.2特种光纤的研究进展2
1.2.1掺稀土光纤2
1.2.2掺半导体光纤3
1.2.3保偏光纤3
1.2.4抗辐射光纤4
1.2.5光子晶体光纤5
1.2.6少模光纤6
1.2.7包层模谐振光纤6
1.2.8传能光纤7
1.2.9微纳光纤7
1.2.10塑料光纤8
1.2.11其他新型特种光纤9
§1.3光纤传输的基本理论9
1.3.1子午线传输特性10
1.3.2斜光线传输特性11
1.3.3波动方程11
1.3.4模式分类13
§1.4光纤的特性18
1.4.1截止波长19
1.4.2光纤的损耗19
1.4.3光纤的色散20
§1.5特种光纤的发展趋势21
参考文献22

第2章特种光纤的制备技术26
§2.1一次特种光纤制备技术26
2.1.1常规光纤制备技术26
2.1.2基于MCVD的InP薄膜内包层光纤制备30
2.1.3基于MCVD和溶液浸泡法的掺铋光纤制备31
2.1.4基于MCVD和溶胶凝胶法的纳米量子点放大光纤制备31
2.1.5基于MCVD和ALD技术的掺杂特种光纤制备33
2.1.6紫外光纤制备38
§2.2二次特种光纤制备技术38
2.2.1相位掩模法制作光纤布拉格光栅39
2.2.2CO2激光技术制作长周期光纤光栅42
2.2.3光纤法布里珀罗腔的制备47
参考文献54

第3章特种光纤无源光器件59
§3.1光纤滤波器59
3.1.1光纤光栅滤波器59
3.1.2FP光纤滤波器63
3.1.3MZ光纤滤波器64
3.1.4Michelson光纤滤波器64
3.1.5Sagnac光纤滤波器65
3.1.6光子晶体光纤滤波器66
3.1.7双包层光纤滤波器67
§3.2光纤耦合器70
3.2.1保偏光纤耦合器71
3.2.2光子晶体光纤耦合器72
3.2.3塑料光纤耦合器73
§3.3光纤偏振器73
§3.4光纤波分复用器74
§3.5光纤连接器75
§3.6光纤色散补偿器77
3.6.1色散补偿光纤77
3.6.2光纤光栅色散补偿器77
3.6.3光子晶体光纤色散补偿器78
参考文献80

第4章特种光纤非线性效应84
§4.1掺杂光纤非线性效应84
4.1.1掺铒光纤85
4.1.2高掺锗非线性光纤85
4.1.3硫系光纤86
4.1.4掺磷光纤87
§4.2保偏光纤非线性效应87
§4.3光子晶体光纤非线性效应89
4.3.1脉冲压缩90
4.3.2超连续谱产生90
4.3.3全光波长转换91
§4.4特种光纤拉曼散射效应92
§4.5特种光纤非线性折射率系数94
4.5.1干涉法测量光纤共振非线性的原理94
4.5.2掺铋光纤非线性折射率系数96
4.5.3掺铪光纤非线性折射率系数98
4.5.4掺铌光纤非线性折射率系数100
4.5.5共振非线性测量的影响因素分析101
参考文献103

第5章特种光纤与光纤激光器107
§5.1掺稀土光纤激光器107
5.1.1掺铒光纤激光器108
5.1.2掺镱光纤激光器113
5.1.3其他掺稀土光纤激光器115
§5.2双包层光纤激光器115
5.2.1LD泵浦掺Yb3 双包层光纤激光器117
5.2.2连续波铒镱共掺双包层光纤激光器117
5.2.3调Q双包层光纤激光器118
5.2.4锁模双包层光纤激光器119
5.2.5双包层光纤光栅多波长光纤激光器119
§5.3保偏光纤激光器120
5.3.1锁模保偏光纤激光器120
5.3.2双包层保偏光纤激光器121
5.3.3保偏光纤光栅激光器121
5.3.4调频窄线宽保偏光纤激光器122
§5.4光子晶体光纤激光器123
5.4.1可调谐光子晶体光纤激光器123
5.4.2光子晶体光纤拉曼激光器124
5.4.3掺Yb3 双包层光子晶体光纤激光器124
5.4.4线偏振短脉冲光子晶体光纤激光器125
5.4.5基于光子晶体光纤MZ干涉仪的可调谐光纤激光器125
参考文献127

第6章特种光纤与光纤放大器131
§6.1掺稀土光纤放大器131
6.1.1掺铒光纤放大器132
6.1.2掺镱光纤放大器137
6.1.3掺铥光纤放大器139
6.1.4掺镨光纤放大器142
§6.2双包层光纤放大器144
6.2.1双包层掺稀土光纤放大器144
6.2.2单频双包层光纤放大器145
6.2.3脉冲双包层光纤放大器146
§6.3光子晶体光纤放大器147
6.3.1偏振保持窄线宽光子晶体光纤放大器148
6.3.2高功率光子晶体光纤放大器148
§6.4聚合物光纤放大器149
6.4.1掺杂有机染料的POFA150
6.4.2掺杂稀土螯合物的POFA150
§6.5渐逝波耦合量子点光纤放大器151
6.5.1半导体量子点放大光纤的理论仿真152
6.5.2半导体量子点放大光纤的制备技术157
6.5.3放大光纤的制作及测试159
§6.6拉曼光纤放大器160
6.6.1基于FBG的EDFA/RFA混合光纤放大器160
6.6.2基于高非线性光纤的拉曼光纤放大器160
6.6.3光子晶体光纤拉曼光纤放大器162
参考文献164

第7章抗弯/少模光纤与光纤通信168
§7.1抗弯光纤与光纤通信168
7.1.1抗弯光纤的基本特性169
7.1.2抗弯光纤的制备方法170
7.1.3抗弯光纤与光纤到户173
7.1.4抗弯光纤与高速数据传输175
§7.2少模光纤与光纤通信177
7.2.1少模光纤的基本特性177
7.2.2少模光纤的设计和制备178
7.2.3少模光纤光栅181
7.2.4少模光纤模式复用183
参考文献187

第8章特种光纤与运动无线光通信191
§8.1运动无线光通信191
§8.2基于特种光纤的无线光通信192
8.2.1特种实心耦合光锥192
8.2.2光束发散角可调的球面单透镜式光发射天线196
8.2.3单透镜光锥耦合式光接收天线197
8.2.4直线运动无线光通信系统198
8.2.5典型应用198
§8.3基于特种光纤的旋转连接光通信199
8.3.1单通道光纤旋转连接器200
8.3.2基于特种光锥的光纤旋转连接器201
8.3.3多通道光传输准直型光纤旋转连接器202
8.3.4典型应用206
§8.4波分复用光纤旋转连接技术207
参考文献210

索引212

进入21世纪以来，当今社会已经进入信息时代，信息技术的快速发展离不开高效且快速的信息传递载体和技术。光纤通信技术具有传输信息容量大、抗电磁干扰强、保密性好、体积小、重量轻等特点，在通信领域具有不可替代的巨大优势，在过去短短几十年间其在世界范围内完成了推广和普及，已成为现代通信技术的重要分支，为高速、宽带的网络发展做出了重大贡献。
随着光纤通信的飞速发展，与其紧密相关的特种光纤和光纤器件不断涌现，在光纤通信中的应用范围也越来越广，如掺杂光纤、保偏光纤、光子晶体光纤、抗辐照光纤、抗弯光纤、少模光纤、传能光纤及塑料光纤等特种光纤可用于光纤无源器件、光纤放大器及激光器、光纤光缆传输、光通信模分复用等光纤通信系统。然而，特种光纤及器件在我国的发展不是一帆风顺的，在一些核心技术、关键器件及关键设备等方面还严重依赖进口。近年来，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，国内相关企业、研究所及高校积极迎接挑战、踊跃投入，加快了具有自主知识产权的特种光纤新技术、新工艺和新材料的开发步伐，自主创新研究显著增强。
国内虽然已出版了很多有关光纤通信的书籍，但是专门介绍特种光纤及其在光纤通信中应用的书籍却偏少。因此，把特种光纤在光纤通信中的应用全面详细介绍给广大读者，更好地发挥特种光纤在光纤通信中的创新源作用，就显得十分必要。笔者长期从事特种光纤、光纤器件及光纤通信的研究工作，将多年的研究工作进行总结，希望为我国特种光纤及光纤通信的创新发展尽绵薄之力。
本书汇集了与光纤通信相关的特种光纤，基于笔者课题组的研究成果，并结合国内外相关领域的研究进展，对特种光纤的原理及特种光纤在光纤通信中的应用做较为全面的介绍，以勾勒出特种光纤与光纤通信紧密联系的轮廓。本书内容不仅覆盖了光纤通信和特种光纤的各个方面，而且融合本学科的技术，突出了与之相关的原理，并列举了大量的应用实例，贴近工程实际应用。本书有助于相关领域的科研工作者与工程技术人员了解本学科的前沿动态，有助于推动特种光纤技术和光纤通信技术的进一步深入研究和应用。
本书共分为8章。第1章回顾特种光纤的发展历程以及介绍特种光纤的基本原理与特性，第2章重点介绍特种光纤的各种制备技术，第3、4章分别介绍特种光纤无源光器件和非线性效应，第5、6章分别介绍特种光纤在光纤激光器、光纤放大器中的应用，第7章介绍抗弯光纤、少模光纤与光纤通信的联系，第8章介绍特种光纤在运动无线光通信系统中的应用。
在本书编写过程中，付兴虎博士和董艳华博士做了许多的整理、组织和汇总等工作，对本书的顺利完稿做出了重要贡献。本书的编写还得到陈振宜、曾祥龙、庞拂飞、陈娜、刘云启、文建湘、郭强、张小贝、商娅娜、赵子文等同事的大力支持，林施扬、金翔青、宫仁祥、何婷、孙欣欣等研究生做了许多文字整理工作，在此对他们表示诚挚的谢意。
感谢国家自然科学基金重点项目（No. 60937003）的支持，也感谢国家科学技术学术著作出版基金、上海科技专著出版资金和上海科学技术出版社的大力支持！
希望本书能够对高等院校光通信、光电子技术、光学工程、仪器科学与技术等专业高年级本科生、研究生以及相关专业领域的科研人员和工程技术人员有所帮助。
鉴于著者的水平所限，书中难免还存在一些不足，殷切希望广大读者批评指正。