光纤通信系统中的偏振光学9787302616610
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作者张晓光、席丽霞、崔楠、张虎、肖晓晟、唐先锋
出版社清华大学出版社
ISBN9787302616610
出版时间2023-01
装帧精装
开本其他
定价219元
货号31674397
上书时间2024-11-26
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前言
光的偏振是光波的自然属性，是证明光为横波的必然结果。光纤通信利用光纤承载光信号进行远程传递信息，光纤通信系统已成为当今通信传送网的重要组成部分，承担着城市间的远程骨干网通信、城市内城域网通信以及数据中心光互连的重要任务。光的偏振在光纤通信系统中起着重要作用。偏分复用技术就是利用两个正交的偏振信号理论上没有相互串扰的机制，用正交的双偏振信号在一根光纤中传输，使通信容量加倍。光纤通信系统还采用两个偏振组合进行编码，即偏振编码。这些是偏振在光纤通信系统中的正面作用。同时，偏振在光纤通信系统中也有其负面作用，比如快速的偏振旋转会造成偏分解复用的困难； 偏振旋转与偏振模色散联合效应不仅造成偏分解复用的难题，还会引起偏振信号的符号间串扰； 偏振相关损耗会造成双偏的两路信号之间的信噪比不同。不论光的偏振给光纤通信系统带来正面作用，还是负面作用，作为光纤通信的从业者，都要系统地了解和学习光纤通信系统中的偏振光学。这也是笔者撰写本书的目的。
然而笔者发现，光纤通信的从业者往往疏忽对于光偏振的掌握。这是由于： 第一，理解光偏振效应往往需要比较复杂的数学与物理知识，让人望而却步； 第二，2000年以前的光纤通信系统传输的码率较低，且是单偏振的强度调制直接检测系统，偏振效应引起的信号偏振损伤对于光纤通信系统影响不大。因此人们都倾向于回避和忽略光纤中的偏振效应。但是2000年以后，光纤通信系统的单波信道码率达到10Gbit/s，并很快提升到40Gbit/s乃至100Gbit/s，2010年以后的相干光纤通信系统普遍采用了偏振复用技术，且信号的波特率高达200Gbaud，偏振效应的影响非常显著，人们再也无法回避偏振效应。近年来人们发现，雷雨天气会造成光纤通信系统频繁中断业务，深入分析得知是雷电造成光纤中的光信号快速变化，超出了系统中偏分解复用算法的能力，造成通信中断。因此目前光纤偏振效应原理和均衡方法已经成为光纤通信从业人员必须掌握的技术。
笔者自2001年承接国家“863”高技术发展计划重点项目“光纤偏振模色散自适应补偿技术”开始投身于光纤偏振领域的研究，一直坚持研究到今天，可谓“二十年磨一剑”，取得了许多相关科研成果。笔者主持的2项“863”计划项目、2项国家自然科学基金项目、5项华为委托研发项目都与光纤偏振相关。2008年在华为委托研发项目的资助下带领研究组研制成功国内第一台光纤偏振模色散自适应补偿样机，性能表现优异。另外研究组还于2017年帮助天津市德力电子仪器有限公司研制了偏振模色散测量样机。笔者与研究组成员分别于2005年和2015年获得中国通信学会科学技术三等奖和教育科学技术进步二等奖。本书作者都多年在光纤偏振领域辛勤耕耘，掌握了扎实的偏振系统知识，积累了丰富的研究经验，撰写本书可谓水到渠成。
本书除绪论之外，以三篇的形式组织全书内容。
第一篇是偏振光学的基础知识，包含第2~4章。第2章介绍了偏振态的基本形态，描述偏振态的琼斯矢量和斯托克斯矢量描述方法，以及这两种偏振态描述方法之间的转换； 其中借用量子力学的表象理论，提出了描写偏振态的偏振表象概念以及表象变换方法。第3章作为光信号在偏振器件以及双折射光纤中传输的基本理论，介绍了光在各向异性介质中传输的双折射现象，分类介绍了线双折射和圆双折射，最后讨论了本征偏振模式的物理意义。第4章介绍了偏振器件的矩阵描述，包括琼斯矩阵和米勒矩阵描述，以及这两种描述的转换。
第二篇讲述光纤通信中出现的偏振现象以及它们的应用，包括第5~9章。第5章介绍偏振分束器、光隔离器、光环形器、偏振控制器等偏振器件的工作机理。第6章介绍光纤中的双折射现象以及保偏光纤，介绍如何用数学描述光信号在双折射光纤中的传播，实际上就是光纤偏振旋转的产生机理。第7章是本书的重点章节，介绍光纤偏振模色散的物理机理和数学描述。为了更深入理解光纤偏振效应，第8章介绍近几年来发展起来的基于自旋矢量的偏振数学运算方法。第9章介绍偏振相关损耗的物理机理和数学描述。
第三篇为光纤中偏振效应的测量方法、建模方法以及光纤通信系统中偏振效应的均衡技术，包括第10~12章。第10章介绍偏振模色散和偏振相关损耗的典型测量方法。第11章给出了光纤通信系统中偏振效应的建模方法，用以考察偏振效应对光纤通信系统的影响。第12章描述了光纤通信直接检测系统和相干检测系统中偏振效应的相应均衡技术，特别是详细讲述了研究组研制的偏振模色散补偿样机的工作机理，以及相干检测系统中基于卡尔曼滤波器的偏振解复用方法。
本书在撰写过程中，研究组的研究生张斌、张奇、刘梦溶、陆庆敏、吉晨曦等同学阅读了初稿，找出文字、公式和图表中的错误。在此表示感谢！
感谢清华大学出版社将本书列入其策划的“变革性光科学与技术丛书”！感谢国家出版基金对本书的资助！感谢“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划将本书列入重大出版工程规划！
受作者学识水平所限，书中肯定存在一些不妥和错误，恳请各位读者批评指正。
张晓光2022年7月于北京
商品简介偏振复用技术(也称为偏分复用技术)是光纤通信系统中的一项重要复用技术，应用偏振复用技术能够使光纤通信容量加倍。光纤通信系统中应用到许多偏振器件。另外，光信号在光纤和光器件中传输时会因偏振效应引起偏振损伤，这些偏振效应主要包括光纤偏振模色散、偏振相关损耗和偏振旋转等。
作者简介
张晓光,北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室、电子工程学院教授，享受国务院津贴专家。长期从事《大学物理》、《光学》、《导波光学》、《非线性光学》、《偏振光学》的教学，获得北京市高等学校名师奖。多次作为主持人主持国家863计划项目、国家自然科学基金项目、华为委托研发项目，从事光纤偏振效应与均衡、光频梳在光纤通信中的应用、光孤子通信的研究，获得信息产业部科技进步三等奖、中国通信学会科学技术三等奖、教育部科技进步二等奖。2017年出版专著《光纤偏振模色散原理、测量与自适应补偿技术》，2013年和2019年分别出版译著《光学，第4版》、《光学，第6版》。
目录
第1章 绪论
1.1 光纤通信系统中研究光偏振的重要性
1.2 光纤通信中偏振光学的数学描述体系
参考文献
第一篇 偏振光学基础
第2章 偏振光的描述
2.1 偏振态的基本描述
2.1.1 光的五种偏振态
2.1.2 线偏振光
2.1.3 圆偏振光
2.1.4 椭圆偏振光
2.1.5 自然光（非偏振光）
2.1.6 部分偏振光
2.2 偏振态的琼斯矢量描述
2.2.1 偏振态的一般数学描述
2.2.2 偏振态的琼斯矢量描述
2.3 偏振表象
2.3.1 偏振态的正交
2.3.2 偏振态在不同正交偏振基下的表示——偏振表象
2.3.3 偏振态的表象变换
2.4 偏振态的斯托克斯矢量描述
2.4.1 斯托克斯参量的引入——偏振态的斯托克斯矢量
2.4.2 斯托克斯矢量各分量的物理意义
2.4.3 斯托克斯矢量各分量的测量方法（偏振态测试仪）
2.4.4 偏振度的斯托克斯参量表示
2.5 偏振态描述的庞加莱球和可视偏振态球
2.5.1 偏振态的庞加莱球描述
2.5.2 偏振态的可视偏振态球描述
2.6 偏振态在琼斯空间和斯托克斯空间之间的转换
2.6.1 琼斯矢量到斯托克斯矢量的变换
2.6.2 斯托克斯矢量到琼斯矢量的变换
参考文献
第3章 各向异性介质中的双折射
3.1 普通光学中对于晶体双折射的描述
3.1.1 方解石中的双折射现象
3.1.2 普通光学对于双折射的描述
3.1.3 线偏振起偏器
3.1.4 相位延迟器
3.1.5 晶体旋光的普通光学描述
3.1.6 法拉第旋光的普通光学描述
3.2 光在各向异性介质中传输的数学描述
3.2.1 麦克斯韦电磁理论回顾
3.2.2 各向异性介质中的极化特点
3.3 晶体双折射——线双折射
3.3.1 光波在晶体中的传输特点
3.3.2 光波在晶体中传输的本征偏振模式
3.3.3 光波在晶体中传输的折射率椭球描述
3.4 旋光现象——圆双折射
3.4.1 在强磁场作用下抗磁材料的旋光理论
3.4.2 法拉第旋光效应的本征偏振模式
内容摘要
偏振复用技术（也称为偏分复用技术）是光纤通信系统中的一项重要复用技术，应用偏振复用技术能够使光纤通信容量加倍。光纤通信系统中应用到许多偏振器件。另外，光信号在光纤和光器件中传输时会因偏振效应引起偏振损伤，这些偏振效应主要包括光纤偏振模色散、偏振相关损耗和偏振旋转等。因此从事光纤通信研究的科学家、业界工程师以及学通信工程的大学生都需
要具备较系统的光偏振知识。本书以光纤通信系统为应用背景，系统介绍了偏振光学的相关理论、数学描述语言和偏振物理机理。在光偏振的理论基础上，本书还介绍了光通信常用的偏振器件、偏振旋转、偏振模色散和偏振相关损耗的物理机理，偏振效应的测量方法，光纤通信系统中的偏振效应建模以及偏振损伤的均衡方法。
本书适合于光纤通信领域的研究人员、工程师阅读，也可以作为通信专业、电子专业高年级本科生和研究生相应课程的教材。
主编推荐
本书从偏振光的基本概念和基本理论出发，详细阐述偏振光在琼斯空间和斯托克斯空间的描述，以及两个空间之间的关系变换；紧接着作光纤中偏振效应的概述和介绍偏振控制器等偏振器件；接下来详细介绍光纤中最主要的偏振效应偏振模色散和偏振相关损耗的理论模型、测量方法以及缓解补偿方法；最后详细介绍光纤通信系统中偏振效应的各种均衡技术，着重介绍本课题组有很大贡献的基于斯托克斯空间和基于卡尔曼滤波器的偏振效应均衡方法。
精彩内容
第3章〓各向异性介质中的双折射偏振器件大多由各向异性介质制成，光在各向异性介质中传输会表现出双折射性质，因而可以用来制造偏振器件。因此本章介绍光波在各向异性介质中传输表现出双折射的物理机制，以便更好地理解后续各章里的双折射双折射现象。
光学晶体是典型的各向异性介质，因此本章主要介绍晶体中的双折射。读者开始接触光在晶体中的传输，也应该是在“大学物理”课程中偏振的章节（属于普通光学范畴）。该课程介绍晶体双折射时利用的是比较容易理解的惠更斯“双波面”理论，这是一种简单形象的唯象理论，用到非常少的数学［13］。为了使读者更好地理解双折射，本书首先介绍普通光学对于晶体双折射的描述，然后介绍基于电磁场理论的高等光学的双折射理论［45］，使读者有一个过渡过程，以便进一步将数学与物理现象进行对照研究。
3.1普通光学中对于晶体双折射的描述3.1.1方解石中的双折射现象将一块方解石晶体（也称冰洲石晶体，化学结构为CaCO3）放在一张写有字迹的纸上，会看到两个影像，这就是双折射现象，如图311所示。是伊拉斯谟斯·巴托莱纳斯（拉丁文为ErasmusBartholinus，英文为RasmusBartholin）于1969年最早利用方解石晶体观察到双折射现象的。
图311方解石晶体放在一张写有字迹的纸上形成的两个影像［3］3.1.2普通光学对于双折射的描述普通光学对于双折射的描述如下［13］。
（1）一束非偏振光进入晶体会出现两束折射光：一束遵从折射定律，与在各向同性介质中一样，因此称为寻常光（ordinaryray），也称为o光；另一束不遵从折射定律，与在各向同性介质中表现不一样，称为非寻常光（extraordinaryray），也称为e光。
如图312(a)所示，一束光正入射到如图所示的方解石晶体，分成两束光。一束光按照折射定律沿着原
方向传输直至出射晶体，这就是o光；另一束光没有按照折射定律，而是向斜上方传输，出射晶体后也不是按照折射定律的方向传输，而是垂直于晶体表面，在晶体外沿着与o光平行的方向、离开一定间隔地向前传输，这就是e光，如图312所示。
（2）o光与e光均为线偏振光，且在适当的入射方向，o光与e光偏振方向相互垂直。
如图312(b)所示，当入射的是自然光（非偏振光），o光和e光均为线偏振光，o光偏振方向垂直于晶体的光轴，e光偏振方向与光轴处于同一个平面。如果用一个偏振片放置在晶体后面，让o光和e光同时经过偏振片，并旋转偏振片的方位360°，发现在旋转过程中o光与e光都会出现两次透射消光的偏振片位置，两次透射极大的偏振片位置，且o光出现消光时，e光出现透射极大，o光出现透射极大时，e光出现消光。这证明了o
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