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纤是20世纪的重大发明之一，其导光性能臻于完美，很难想象还会有更好的替代者。本书是光学、光子学和光纤通信领域的重要译著，主要内容包括脉冲在光纤中的传输、群速度色散、自相位调制、光孤子、偏振效应、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频、高非线性光纤、新型非线性现象、超连续谱产生等内容，科学归纳为非线性光纤光学，侧重于基本概念和原理，也涉及了一些应用。全书理论严谨，处处结合实际例证，特别是紧密结合光纤非线性光学、光纤通信领域的新成果与新问题，图文并茂，说清讲透，且各章都附有习题，适合作为光学、物理学、电子工程等专业的本科生和研究生教学用书。

第1章  导论
1.1  历史的回顾
1.2  光纤的基本特性
1.2.1  材料和制造
1.2.2  光纤损耗
1.2.3   色度色散
1.2.4  偏振模色散
1.3  光纤非线性
1.3.1  非线性折射
1.3.2  受激非弹性散射
1.3.3  非线性效应的重要性
1.4  综述
习题
参考文献
第2章  脉冲在光纤中的传输
2.1  麦克斯韦方程组
2.2  光纤模式
2.2.1  本征值方程
2.2.2  单模条件
2.2.3  基模特性
2.3  脉冲传输方程
2.3.1  非线性脉冲传输
2.3.2  高阶非线性效应
2.3.3  喇曼响应函数及其作用
2.3.4  延伸到多模光纤
2.4  数值方法
2.4.1  分步傅里叶法
2.4.2  有限差分法
习题
参考文献
第3章  群速度色散
3.1  不同的传输区域
3.2  色散感应的脉冲展宽
3.2.1  高斯脉冲
3.2.2  啁啾高斯脉冲
3.2.3  双曲正割脉冲
3.2.4  超高斯脉冲
3.2.5  实验结果
3.3  三阶色散
3.3.1  啁啾高斯脉冲的演化
3.3.2  展宽因子
3.3.3  任意形状脉冲
3.3.4  超短脉冲测量
3.4  色散管理
3.4.1  群速度色散引起的限制
3.4.2  色散补偿
3.4.3  三阶色散补偿
习题
参考文献
第4章  自相位调制
4.1  自相位调制感应频谱变化
4.1.1  非线性相移
4.1.2  脉冲频谱的变化
4.1.3  脉冲形状和初始啁啾的影响
4.1.4  部分相干效应
4.2  群速度色散的影响
4.2.1  脉冲演化
4.2.2  展宽因子
4.2.3  光波分裂
4.2.4  实验结果
4.2.5  三阶色散效应
4.2.6  光纤放大器中的自相位调制效应
4.3  半解析方法
4.3.1  矩方法
4.3.2  变分法
4.3.3  具体解析解
4.4  高阶非线性效应
4.4.1  自变陡效应
4.4.2  群速度色散对光波冲击的影响
4.4.3  脉冲内喇曼散射
习题
参考文献
第5章  光孤子
5.1  调制不稳定性
5.1.1  线性稳定性分析
5.1.2  增益谱
5.1.3  实验结果
5.1.4  超短脉冲产生
5.1.5  调制不稳定性对光波系统的影响
5.2  光孤子
5.2.1  逆散射法
5.2.2  基阶孤子
5.2.3  二阶和高阶孤子
5.2.4  实验验证
5.2.5  孤子稳定性
5.3  其他类型的孤子
5.3.1  暗孤子
5.3.2  双稳孤子
5.3.3  色散管理孤子
5.3.4  光相似子
5.4  孤子微扰
5.4.1  微扰法
5.4.2  光纤损耗
5.4.3  孤子放大
5.4.4  孤子互作用
5.5  高阶效应
5.5.1  脉冲参量的矩方程
5.5.2  三阶色散
5.5.3  自变陡效应
5.5.4  脉冲内喇曼散射
5.5.5  飞秒脉冲的传输
习题
参考文献
第6章  偏振效应
6.1  非线性双折射
6.1.1  非线性双折射的起源
6.1.2  耦合模方程
6.1.3  椭圆双折射光纤
6.2  非线性相移
6.2.1  无色散交叉相位调制
6.2.2  光克尔效应
6.2.3  脉冲整形
6.3  偏振态的演化
6.3.1  解析解
6.3.2  邦加球表示法
6.3.3  偏振不稳定性
6.3.4  偏振混沌
6.4  矢量调制不稳定性
6.4.1  低双折射光纤
6.4.2  高双折射光纤
6.4.3  各向同性光纤
6.4.4  实验结果
6.5  双折射和孤子
6.5.1  低双折射光纤
6.5.2  高双折射光纤
6.5.3  孤子牵引逻辑门
6.5.4  矢量孤子
6.6  随机双折射
6.6.1  偏振模色散
6.6.2  非线性薛定谔方程的矢量形式
6.6.3  偏振模色散对孤子的影响
习题
参考文献
第7章  交叉相位调制
7.1  交叉相位调制感应的非线性耦合
7.1.1  非线性折射率
7.1.2  耦合非线性薛定谔方程
7.2  交叉相位调制感应的调制不稳定性
7.2.1  线性稳定性分析
7.2.2  实验结果
7.3  交叉相位调制配对孤子
7.3.1  亮-暗孤子对
7.3.2  亮-灰孤子对
7.3.3  周期解
7.3.4  多耦合非线性薛定谔方程
7.4  频域和时域效应
7.4.1  非对称频谱展宽
7.4.2  非对称时域变化
7.4.3  高阶非线性效应
7.5  交叉相位调制的应用
7.5.1  交叉相位调制感应的脉冲压缩
7.5.2  交叉相位调制感应的光开关
7.5.3  交叉相位调制感应的非互易性
7.6  偏振效应
7.6.1  交叉相位调制的矢量理论
7.6.2  偏振演化
7.6.3  偏振相关频谱展宽
7.6.4  脉冲捕获和压缩
7.6.5  交叉相位调制感应光波分裂
7.7  双折射光纤中的交叉相位调制效应
7.7.1  低双折射光纤
7.7.2  高双折射光纤
习题
参考文献
第8章  受激喇曼散射
8.1  基本概念
8.1.1  喇曼增益谱
8.1.2  喇曼阈值
8.1.3  耦合振幅方程
8.1.4  四波混频效应
8.2  准连续受激喇曼散射
8.2.1  单通喇曼产生
8.2.2  光纤喇曼激光器
8.2.3  光纤喇曼放大器
8.2.4  喇曼串扰
8.3  短泵浦脉冲的受激喇曼散射
8.3.1  脉冲传输方程
8.3.2  无色散情形
8.3.3  群速度色散效应
8.3.4  喇曼感应折射率变化
8.3.5  实验结果
8.3.6  同步泵浦光纤喇曼激光器
8.3.7  短脉冲喇曼放大
8.4  孤子效应
8.4.1  喇曼孤子
8.4.2  光纤喇曼孤子激光器
8.4.3  孤子效应脉冲压缩
8.5  偏振效应
8.5.1  喇曼放大的矢量理论
8.5.2  偏振模色散效应对喇曼放大的影响
习题
参考文献
第9章  受激布里渊散射
9.1  基本概念
9.1.1  受激布里渊散射的物理过程
9.1.2  布里渊增益谱
9.2  准连续受激布里渊散射
9.2.1  布里渊阈值
9.2.2  偏振效应
9.2.3  控制受激布里渊散射阈值的方法
9.2.4  实验结果
9.3  光纤布里渊放大器
9.3.1  增益饱和
9.3.2  放大器设计和应用
9.4  受激布里渊散射动力学
9.4.1  耦合振幅方程
9.4.2  利用Q开关脉冲的受激布里渊散射
9.4.3  受激布里渊散射感应的折射率变化
9.4.4  弛豫振荡
9.4.5  调制不稳定性和混沌
9.5  光纤布里渊激光器
9.5.1  连续运转方式
9.5.2  脉冲运转方式
习题
参考文献
第10章  四波混频
10.1  四波混频的起源
10.2  四波混频理论
10.2.1  耦合振幅方程
10.2.2  耦合振幅方程的近似解
10.2.3  相位匹配效应
10.2.4  超快四波混频过程
10.3  相位匹配技术
10.3.1  物理机制
10.3.2  多模光纤中的相位匹配
10.3.3  单模光纤中的相位匹配
10.3.4  双折射光纤中的相位匹配
10.4  参量放大
10.4.1  早期工作的回顾
10.4.2  光纤参量放大器的增益谱和带宽
10.4.3  单泵浦结构
10.4.4  双泵浦结构
10.4.5  泵浦消耗效应
10.5  偏振效应
10.5.1  四波混频的矢量理论
10.5.2  参量增益的偏振相关性
10.5.3  线偏振和圆偏振泵浦
10.5.4  残余光纤双折射效应
10.6  四波混频的应用
10.6.1  参量振荡器
10.6.2  超快信号处理
10.6.3  量子关联和噪声压缩
10.6.4  相敏放大
习题
参考文献
第11章  高非线性光纤
11.1  非线性参量
11.1.1  n2的单位和数值
11.1.2  自相位调制法
11.1.3  交叉相位调制法
11.1.4  四波混频法
11.1.5  n2值的变化
11.2  石英包层光纤
11.3  空气包层锥形光纤
11.4  微结构光纤
11.4.1  设计和制造
11.4.2  模式和色散特性
11.4.3  空芯光子晶体光纤
11.4.4  布拉格光纤
11.5  非石英光纤
11.5.1  硅酸铅光纤
11.5.2  硫化物光纤
11.5.3  氧化铋光纤
11.6  脉冲在细芯光纤中的传输
11.6.1  矢量理论
11.6.2  频率相关的模式分布
习题
参考文献
第12章  新型非线性现象
12.1  孤子分裂和色散波
12.1.1  二阶和高阶孤子的分裂
12.1.2  色散波产生
12.2  脉冲内喇曼散射
12.2.1  通过孤子分裂增强的喇曼感应频移
12.2.2  互相关技术
12.2.3  通过喇曼感应频移调谐波长
12.2.4  双折射效应
12.2.5  喇曼感应频移的抑制
12.2.6  零色散波长附近的孤子动力学
12.2.7  多峰喇曼孤子
12.3  四波混频
12.3.1  四阶色散的作用
12.3.2  光纤双折射的作用
12.3.3  参量放大器和波长变换器
12.3.4  可调谐光纤参量振荡器
12.4  二次谐波产生
12.4.1  物理机制
12.4.2  热极化和准相位匹配
12.4.3  二次谐波产生理论
12.5  三次谐波产生
12.5.1  高非线性光纤中的三次谐波产生
12.5.2  群速度失配效应
12.5.3  光纤双折射效应
习题
参考文献
第13章  超连续谱产生
13.1  皮秒脉冲泵浦
13.1.1  非线性机制
13.1.2  2000年后的实验进展
13.2  飞秒脉冲泵浦
13.2.1  微结构石英光纤
13.2.2  微结构非石英光纤
13.3  时域和频域演化
13.3.1  超连续谱的数值模拟
13.3.2  交叉相位调制的作用
13.3.3  交叉相位调制感应的捕获
13.3.4  四波混频的作用
13.4  连续（CW）或准连续（quasi-CW）光泵浦
13.4.1  非线性机制
13.4.2  实验进展
13.5  偏振效应
13.5.1  双折射微结构光纤
13.5.2  近各向同性光纤
13.5.3  各向同性光纤中的非线性偏振旋转
13.6  超连续谱的相干性
13.6.1  频域相干度
13.6.2  改善相干性的技术
13.6.3  频谱非相干孤子
13.7  光学怪波
13.7.1  脉冲间起伏的L形统计
13.7.2  控制怪波统计的技术
13.7.3  再论调制不稳定性
习题
参考文献
附录A  单位制
附录B  非线性薛定谔方程的源代码
附录C  缩略语
中英文术语对照表

译?者?序


随着光纤通信系统向超高速超大容量超长距离的持续发展，以及光孤子通信系统的实用化，光纤非线性光学的重要性日益突出。光纤通信技术的发展史在很大程度上就是光纤非线性理论与技术的发展史。特别是自2000 年以来，以光子晶体光纤为代表的高非线性光纤和大模面积光纤的出现，将光纤非线性效应的利用和抑制推到一个新的高度。除了在光纤通信领域的广泛应用，非线性光纤光学在光学相干层析、高精度频率计量等领域中也得到应用。
本书作者Govind P. Agrawal博士现任美国Rochester大学教授，在激光物理、非线性光学和光纤通信领域论著颇丰。我们将作者在此领域的名著Nonlinear Fiber Optics，Fifth Edition 译成中文出版。本书的特色在于根据传输方程对光纤的各种非线性效应进行了科学归纳与剖析，把光纤对光脉冲的响应特性说清了，也讲透了。本书主要内容包括脉冲在光纤中的传输、群速度色散、自相位调制、光孤子、偏振效应、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频、高非线性光纤、新型非线性现象、超连续谱产生等内容，侧重于基本概念和原理，也涉及了一些应用。
我们于1992年翻译了作者在1989年所著的Nonlinear Fiber Optics，由胡国绛、黄超译，李世忱审校。在此基础上，1999年，余震虹、宋立军、王泰立翻译了作者在1995年所著的Nonlinear Fiber Optics，Second Edition，但未通过出版社出版发行。2002年，我们翻译了Nonlinear Fiber Optics，Third Edition和Applications of Nonlinear Fiber Optics，两书合并为《非线性光纤光学原理及应用》并由电子工业出版社出版，由贾东方、余震虹、谈斌、胡智勇译，李世忱审校。2010年，我们出版了Nonlinear Fiber Optics，Fourth Edition和Applications of Nonlinear Fiber Optics，Second Edition，两书合并为《非线性光纤光学原理及应用》（第二版），同样由电子工业出版社出版。这本书由贾东方、余震虹、王肇颖、杨天新译，李世忱和贾东方审校。Nonlinear Fiber Optics，Fifth Edition与前一版相比，除了新增超连续谱产生一章，几乎各章节都有所修订，第8章至第12章更新更多。新版本的翻译工作同样由天津大学光电子技术二室组织，由贾东方、葛春风、王肇颖和杨天新主译；全书由李世忱和贾东方审校统稿。
在本书的翻译过程中，对于一些涉及人名的术语，主要是根据本专业和业内人士的常用术语习惯来翻译的，如将Raman译成“喇曼”而不是“拉曼”，将Michelson译成“迈克尔逊”而不是“迈克耳孙”，将Sagnac译成“萨格纳克”而不是“萨奈克”，将Poincaré译成“邦加”而不是“庞加莱”，特此说明。读者可登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn），注册后下载由译者制作的教辅资料。
感谢Govind P. Agrawal教授对中文译本出版方面给予的合作。感谢电子工业出版社对翻译工作的大力支持，特别要衷心感谢本书的策划编辑和责任编辑马岚女士，没有她的帮助和辛勤付出，本书将难以顺利出版。由于译者学识所限，难免有疏漏乃至错误之处，恳请广大读者及专家不吝赐教，提出修改意见，我们将不胜感激。



前　　言


自从本书的第一版于1989年出版以来，非线性光纤光学一直是一个活跃的研究领域，并得到持续的快速发展。20世纪90年代，推动这种惊人发展的一个主要因素是通过在石英光纤中掺入像铒、镱之类的稀土离子制成的光纤放大器和光纤激光器的出现。掺铒光纤放大器使光纤通信系统的设计产生了革命性变化，其中利用光孤子的通信系统正是从光纤的非线性效应中产生的。由于光放大器能补偿光信号在传输过程中遇到的所有损耗，因此可以使传输距离超过数千千米。同时，光放大器使波分复用（WDM）成为可能，于是导致了容量超过1 Tbps的光波系统的发展。非线性光纤光学在设计这种大容量光波系统中起了重要作用。实际上，对光波系统设计者来说，了解光纤中的各种非线性效应几乎是一个先决条件。
大约从2000年起，非线性光纤光学领域得到新的发展，并在近年来导致许多新型的应用。几种新型光纤，如微结构光纤、空芯光纤或光子晶体光纤被开发出来，它们的共同特征是其相对细的纤芯被包含大量空气孔的包层环绕着。这类光纤被归为高非线性光纤，它们中的非线性效应被显著增强，即使光纤长度只有几厘米，也能够观察到其中的非线性效应。与通信用的传统光纤相比，高非线性光纤的色散特性也有很大的不同。由于这些改变，微结构光纤表现出许多奇异的非线性效应，在光学相干层析、高精度频率计量学等领域中得到应用。
第五版旨在反映最新的科学成就，其独特之处是全面覆盖了非线性光纤光学学科。本书保留了第四版中的大部分内容，然而，为试图包括非线性光纤光学所有相关课题的最新研究成果，本书的内容增加了许多。主要变化是在第11章和第12章，尤其是将第12章分成两章，其中新增的第13章专门介绍超连续谱产生现象。因为光子晶体光纤的设计和其他微结构光纤的最新进展，在本版本中，第11章和第12章新增的内容较多。其他所有章节也做了不同程度的更新。例如，第2章新增一节来介绍多模光纤中的非线性效应。第6章到第10章详细介绍了偏振问题，因为它们非常重要。而且，由于偏振问题涵盖的研究领域不断取得进展，第8章到第10章的变化较大。
本书的潜在读者包括高年级本科生、攻读硕士和博士学位的研究生、致力于光纤产业的工程师和技术人员，以及从事光纤光学和光通信研究的科学家。此修订版可以作为研究生和高年级本科生的非线性光纤光学课程的教材，以及非线性光学、光纤光学或光通信课程的参考书。本书在每章的最后都提供了一定数量的习题，使之更适宜作为教材使用。
我要感谢对第五版的完成做出直接或间接贡献的所有人，特别是我的研究生，是他们的好奇心和求知欲使得本书在几方面有了改进。我的一些同事对本书第五版的出版也给予了不少帮助，他们不但阅读了手稿，而且还提出了有价值的意见或建议，在此向他们表示感谢。我还要感谢众多的读者，他们给我反馈了一些有用的信息。最后，我还要感谢我的妻子Anne，女儿Sipra，Caroline 和Claire，感谢她们对我的工作的理解和支持。

Nonlinear Fiber Optics自1989年出版以来，多年来备受学术界和产业界的认可，是国际上公认的非线性光纤光学领域的权威之作。
随着非线性光纤光学的迅速发展，作者对其内容进行了不断更新和扩充。

本书是理论和实践、基础和前沿紧密结合的典范，其独特之处是全面覆盖非线性光纤光学学科，涵盖与该领域有关的研究新成果。这些特点使本书不仅是优秀的教材，也是相关领域的科学家和工程师的一本重要参考书。


本书对发生在光纤中的各种非线性现象进行了全面阐述，反映了该领域的最新成果。主要内容包括：脉冲在光纤中的传输、群速度色散、自相位调制、光孤子、偏振效应、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频、高非线性光纤、新型非线性现象和超连续谱产生。与前版相比，除新增超连续谱产生一章以外，几乎各章节都有所修订，第8章至第12章更新得更多。

美国罗切斯特大学James C. Wyant光学教授，OSA期刊Advances in Optics and Photonics主编（2014~2019），2012年IEEE量子电子学奖获得者，2015年Esther Hoffman Beller奖章获得者，2019年Max Born奖获得者。世界光电子和光通信领域的著名学者，在非线性光学和光纤通信领域著作颇丰。OSA会士，IEEE终身会士。<BR>美国罗切斯特大学James C. Wyant光学教授，OSA期刊Advances in Optics and Photonics主编（2014~2019），2012年IEEE量子电子学奖获得者，2015年Esther Hoffman Beller奖章获得者，2019年Max Born奖获得者。世界光电子和光通信领域的著名学者，在非线性光学和光纤通信领域著作颇丰。OSA会士，IEEE终身会士。

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非线性光纤光学（第五版）