零碳能源与多维度光信息传输技术
￥69.00定价
作者： 黄春晖
出版时间：2025-08
出版社：清华大学出版社
- 清华大学出版社
- 9787302695103
- 8-1
- 548041
- 69258445-1
- 16开
- 2025-08
- 373
- 物理
- 本科
内容简介
当今社会的发展已经进入了绿色环保、可持续的信息时代,科技创新起着引领作用,绿色的新型能源、大容量信息的高速安全传输是两大主流创新技术,其研发与进展尤其引人注目。但它们的发展都离不开功能材料(光传导材料、锂离子化合物等)的研制和功能器件(半导体器件与芯片、固体激光器、传感器和探测器等)的制造,这不仅涉及到固体性质、固体微观结构及其各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的基础研究,还需要高新技术来支撑,以实现材料与器件制造的工艺需求。本书作为新工科大学物理学专题的专著,包括基础知识、绿色能源和光信息的多维度传输三部分。基础知识部分包括近代物理基础和从半导体材料到芯片,绿色能源部分包括水电、风电、光伏和核电和以锂电池为代表的新型固体电池,光信息的多维度传输包括固体激光器、光纤通信技术、相干光通信、自由空间光通信和量子计算与通信技术。本书可作为从事现代光通信技术和新能源开发应用的研究人员及工程技术人员的参考书,也可以作为大学物理的专题读物,为相关专业的本科生开设专题讲座,拓展学生的视野。
目录
第1章 近代物理学基础……………………………………………………………………… 1
1.1 电磁波的产生和传播 ……………………………………………………………… 1
1.1.1 从电磁振荡到电磁波……………………………………………………… 1
1.1.2 偶极振子发射的电磁波…………………………………………………… 3
*1.1.3 赫兹实验…………………………………………………………………… 3
1.1.4 光波属于电磁波…………………………………………………………… 4
*1.1.5 电磁波理论………………………………………………………………… 4
1.2 现代物理学的建立………………………………………………………………… 10
1.2.1 经典物理学的成熟标志———三次大综合 ……………………………… 10
1.2.2 迈克耳孙-莫雷实验 光速不变 ………………………………………… 12
1.2.3 相对论的创立过程 ……………………………………………………… 13
1.2.4 量子力学的诞生 ………………………………………………………… 15
1.3 狭义相对论的时空观……………………………………………………………… 17
1.3.1 伽利略变换 ……………………………………………………………… 17
1.3.2 相对论的基本假设 洛伦兹变换 ……………………………………… 18
1.4 相对论动力学……………………………………………………………………… 25
1.4.1 相对论中的质量和动量 ………………………………………………… 25
1.4.2 相对论中的质能关系 …………………………………………………… 26
1.4.3 相对论的应用 …………………………………………………………… 28
1.5 经典量子论………………………………………………………………………… 28
1.5.1 黑体辐射 普朗克量子化 ………………………………………………… 29
1.5.2 光电效应与光的粒子性 ………………………………………………… 32
1.5.3 康普顿效应 ……………………………………………………………… 34
1.5.4 氢原子模型和氢原子光谱 ……………………………………………… 36
*1.5.5 原子能级的测量 ………………………………………………………… 38
1.6 德布罗意波 物质的波粒二象性 ………………………………………………… 39
1.6.1 物质波 …………………………………………………………………… 39
1.6.2 电子衍射实验 …………………………………………………………… 40
1.6.3 不确定关系 ……………………………………………………………… 41
1.7 量子力学基础……………………………………………………………………… 42
1.7.1 波函数及其统计诠释 …………………………………………………… 42
1.7.2 薛定谔方程 ……………………………………………………………… 43
1.7.3 定态薛定谔方程的应用 ………………………………………………… 44
*1.8 原子的量子理论…………………………………………………………………… 47
1.8.1 氢原子…………………………………………………………………… 47
1.8.2 多电子原子中的电子分布 ……………………………………………… 51
参考文献 ………………………………………………………………………………… 53
附加读物 量子力学两大学派的关键人物 …………………………………………… 54
第2章 从半导体材料到芯片 ……………………………………………………………… 59
2.1 半导体电子结构…………………………………………………………………… 60
2.1.1 晶态固体的基本性质 …………………………………………………… 60
2.1.2 晶体中的电子状态 能带结构 …………………………………………… 61
2.1.3 本征半导体和杂质半导体 ……………………………………………… 63
2.2 pn结和其他半导体器件 ………………………………………………………… 64
2.2.1 pn结 ……………………………………………………………………… 64
2.2.2 三极管 …………………………………………………………………… 66
2.2.3 MOS场效应管…………………………………………………………… 68
2.3 集成电路…………………………………………………………………………… 71
2.3.1 半导体芯片制造工艺 …………………………………………………… 72
2.3.2 集成电路与半导体芯片 ………………………………………………… 75
2.3.3 集成电路设计与IP设计技术…………………………………………… 77
2.4 光刻技术…………………………………………………………………………… 79
2.4.1 光刻技术的发展史 ……………………………………………………… 79
2.4.2 光刻原理与技术 ………………………………………………………… 84
2.4.3 EUV 光刻机……………………………………………………………… 90
2.4.4 国内芯片产业的挑战 …………………………………………………… 97
参考文献 ………………………………………………………………………………… 98
第3章 零碳能源…………………………………………………………………………… 100
3.1 绿色环保的风力发电 …………………………………………………………… 101
3.1.1 风能利用及风力发电历史……………………………………………… 101
3.1.2 风力发电原理与效能分析……………………………………………… 102
3.1.3 风电机组………………………………………………………………… 103
3.1.4 风力发电的发展趋势及挑战…………………………………………… 106
3.2 可持续的水力发电 ……………………………………………………………… 108
3.2.1 水力发电的原理与基本类型…………………………………………… 109
3.2.2 水力发电机的结构……………………………………………………… 112
3.2.3 水轮发电机的工作原理………………………………………………… 113
3.3 清洁高效的核电能 ……………………………………………………………… 115
3.3.1 核裂变和核聚变的基本原理…………………………………………… 115
3.3.2 轻核聚变………………………………………………………………… 119
3.3.3 压水堆核电站…………………………………………………………… 122
3.3.4 核电站按反应堆类型分类……………………………………………… 124
3.3.5 核电站-安全保障系统 ………………………………………………… 126
3.3.6 我国核电的发展………………………………………………………… 127
3.4 取之不尽的太阳能 ……………………………………………………………… 127
3.4.1 太阳能与太阳辐射……………………………………………………… 127
3.4.2 太阳能电池工作原理…………………………………………………… 127
3.4.3 光伏发电技术与分类…………………………………………………… 129
3.4.4 光伏发电技术的应用…………………………………………………… 132
3.4.5 太阳能热水器工作原理………………………………………………… 133
参考文献………………………………………………………………………………… 134
第4章 纳米科技与锂离子电池…………………………………………………………… 135
4.1 纳米技术概述 …………………………………………………………………… 135
4.1.1 纳米材料与技术的发展概要…………………………………………… 135
4.1.2 纳米材料的特性………………………………………………………… 136
4.1.3 纳米材料的分类与制备………………………………………………… 138
4.2 典型的纳米材料与器件 ………………………………………………………… 140
4.2.1 纳米磁性材料…………………………………………………………… 140
4.2.2 纳米陶瓷材料…………………………………………………………… 141
4.2.3 碳纳米材料……………………………………………………………… 142
4.2.4 纳米膜…………………………………………………………………… 146
4.2.5 纳米电子技术…………………………………………………………… 147
4.2.6 纳米材料在生物医学的应用…………………………………………… 148
4.3 介孔材料 ………………………………………………………………………… 149
4.3.1 两类介孔材料…………………………………………………………… 149
4.3.2 MCM-41有序介孔材料 ……………………………………………… 150
4.4 纳米结构的自组装和模板合成技术 …………………………………………… 154
4.4.1 纳米结构的自组装……………………………………………………… 154
4.4.2 厚膜模板合成纳米阵列………………………………………………… 155
4.4.3 有序介孔材的应用……………………………………………………… 157
4.5 锂离子电池概况 ………………………………………………………………… 157
4.5.1 锂离子电池的特点……………………………………………………… 157
4.5.2 锂离子电池的种类……………………………………………………… 158
4.5.3 锂离子电池的优点和用途……………………………………………… 159
4.5.4 锂离子电池的发展历史………………………………………………… 161
4.6 锂离子电池的工作机理及其组成结构 ………………………………………… 164
4.6.1 正极材料制备及其工作机理…………………………………………… 166
4.6.2 锂离子电池的负极材料………………………………………………… 169
4.6.3 电解液…………………………………………………………………… 172
4.6.4 隔膜……………………………………………………………………181
4.6.5 锂离子电池充电方法…………………………………………………… 185
4.7 锂电池生产工序 ………………………………………………………………… 185
4.7.1 前段工序………………………………………………………………… 186
4.7.2 中段工序………………………………………………………………… 187
4.7.3 后段工序………………………………………………………………… 187
4.8 全固态锂电池 …………………………………………………………………… 188
4.8.1 全固态锂电池的原理…………………………………………………… 188
4.8.2 全固态电池的性质……………………………………………………… 190
4.8.3 全固态电池的用途……………………………………………………… 191
4.8.4 全固态电池实用化的研究……………………………………………… 195
参考文献………………………………………………………………………………… 195
第5章 光纤通信技术……………………………………………………………………… 197
5.1 激光的基本原理 ………………………………………………………………… 197
5.1.1 自发辐射和受激辐射…………………………………………………… 197
5.1.2 粒子数反转与光放大…………………………………………………… 198
5.1.3 光学谐振腔……………………………………………………………… 199
5.2 半导体激光器 …………………………………………………………………… 200
5.2.1 半导体的产生受激辐射的条件………………………………………… 200
5.2.2 半导体激光器的工作原理……………………………………………… 201
5.2.3 激光的特性和应用……………………………………………………… 204
5.3 信息传递的主力军———光纤通信 ……………………………………………… 205
5.3.1 发展历程简介…………………………………………………………… 206
5.3.2 光纤通信原理…………………………………………………………… 207
5.3.3 数字光接收机…………………………………………………………… 209
5.4 光纤传输机理 …………………………………………………………………… 213
5.4.1 光射线的传播定律……………………………………………………… 213
5.4.2 光纤传输机理的射线理论……………………………………………… 215
5.4.3 阶跃型光纤的波动光学理论…………………………………………… 218
5.5 光纤放大器 ……………………………………………………………………… 224
5.5.1 EDFA 光纤放大器的工作原理………………………………………… 224
5.5.2 光纤放大器的构成及泵浦方式………………………………………… 224
5.5.3 光纤放大器的应用 …………………………………………………… 226
名人堂:光纤之父高锟与光纤通信 …………………………………………………… 227
5.6 海底光缆 ………………………………………………………………………… 229
5.6.1 设备结构………………………………………………………………… 229
5.6.2 远供电源设备和海底中继器…………………………………………… 230
5.6.3 技术原理………………………………………………………………… 231
5.6.4 海底光缆的维护………………………………………………………… 232
5.6.5 海底光缆的发展现状和展望…………………………………………… 232
参考文献………………………………………………………………………………… 234
第6章 多维度光纤传输与全光纤网络…………………………………………………… 235
6.1 多维度光纤通信 ………………………………………………………………… 236
6.1.1 提高信号的波特率……………………………………………………… 236
6.1.2 光纤通信复用技术……………………………………………………… 237
6.1.3 高阶调制………………………………………………………………… 239
6.2 光调制技术 ……………………………………………………………………… 239
6.2.1 光通信调制原理………………………………………………………… 239
6.3 光调制器及其光调制技术 ……………………………………………………… 243
6.3.1 幅度调制………………………………………………………………… 243
6.3.2 光相位调制……………………………………………………………… 245
6.4 多维度光纤传输的研究进展 …………………………………………………… 248
6.4.1 光纤通信技术的研究现状……………………………………………… 248
6.4.2 多维度光纤传输技术的研究进展……………………………………… 249
6.5 光纤通信网 ……………………………………………………………………… 252
6.5.1 光纤传输网……………………………………………………………… 253
6.5.2 光纤网络中的网名和地址……………………………………………… 259
6.5.3 全光网(AON) ………………………………………………………… 260
参考文献………………………………………………………………………………… 263
第7章 相干光通信………………………………………………………………………… 264
7.1 相干光通信的研究现状 ………………………………………………………… 264
7.1.1 研究现状………………………………………………………………… 264
7.1.2 相干光通信的优势……………………………………………………… 265
7.2 相干光通信原理与核心技术 …………………………………………………… 266
7.2.1 相干光通信原理………………………………………………………… 266
7.2.2 相干光通信的关键技术………………………………………………… 266
7.3 单空间模的连续变量相干光通信 ……………………………………………… 270
7.3.1 单光束相干光通信的基本原理………………………………………… 271
7.3.2 两种偏振复用调制协议………………………………………………… 272
7.3.3 偏振复用的 CV-QKD实验系统 ……………………………………… 273
7.3.4 偏振复用与解复用的实现……………………………………………… 274
7.3.5 基于查表法的高速控制方案…………………………………………… 277
7.4 Stokes参量测量与解码 ………………………………………………………… 278
7.4.1 Stokes参量的测量原理 ……………………………………………… 278
7.4.2 零差测量S2 分量 ……………………………………………………… 278
7.4.3 零差测量S3 分量 ……………………………………………………… 279
7.5 实验测量与误差分析……………………………………………………… 279
7.5.1 光强衰减方案…………………………………………………………… 280
7.5.2 随机编码实验…………………………………………………………… 282
7.5.3 系统噪声分析…………………………………………………………… 283
7.5.4 RQNN 辅助下的Stokes参量编码实验 ……………………………… 285
7.5.5 误码率统计……………………………………………………………… 289
参考文献………………………………………………………………………………… 290
第8章 星链系统及其创新技术…………………………………………………………… 291
8.1 无线通信与卫星通信 …………………………………………………………… 292
8.1.1 无线通信原理…………………………………………………………… 292
8.1.2 卫星通信………………………………………………………………… 295
8.2 星链系统概况 …………………………………………………………………… 301
8.2.1 星链计划的建设情况…………………………………………………… 301
8.2.2 星链卫星技术参数……………………………………………………… 302
8.2.3 星链系统的特色………………………………………………………… 303
8.3 星链网的空间结构卫星 ………………………………………………………… 305
8.3.1 星链系统的空间构架和网络…………………………………………… 306
8.3.2 星座的设计理念………………………………………………………… 308
8.3.3 卫星……………………………………………………………………… 310
8.3.4 自主规避碰撞系统……………………………………………………… 314
8.4 猎鹰9号火箭 …………………………………………………………………… 315
8.4.1 “猎鹰9号”的设计思路………………………………………………… 315
8.5 Kr离子推进器 …………………………………………………………………… 320
8.5.1 离子推进器的结构与基本工作原理…………………………………… 321
8.5.2 离子推进器的优势……………………………………………………… 321
8.6 星间链路与激光通信 …………………………………………………………… 323
8.6.1 星间链路的几何特性…………………………………………………… 323
8.6.2 星链系统的星间链路技术……………………………………………… 325
8.6.3 使用频谱………………………………………………………………… 327
8.7 地面段 用户段和星链终端天线 ……………………………………………… 330
8.7.1 星链终端天线特性……………………………………………………… 330
8.7.2 相控阵列平板天线结构及其工作原理………………………………… 333
8.7.3 地面站的工作原理……………………………………………………… 336
8.8 星链技术的危害和潜在威胁及其应对措施 …………………………………… 338
8.8.1 带来的危害……………………………………………………………… 338
8.8.2 潜在威胁………………………………………………………………… 339
8.8.3 应对措施………………………………………………………………… 340
8.8.4 中国星网计划…………………………………………………………… 340
参考文献………………………………………………………………………………… 343
第9章 量子计算与量子加密……………………………………………………………… 344
9.1 量子计算机 ……………………………………………………………………… 344
9.1.1 量子力学的数学描述…………………………………………………… 344
9.1.2 量子计算原理…………………………………………………………… 345
9.2 几种量子算法 …………………………………………………………………… 350
9.2.1 量子傅里叶(Fourier)变换 …………………………………………… 350
9.2.2 Shor算法 ……………………………………………………………… 351
9.2.3 量子搜索………………………………………………………………… 352
9.3 量子加密原理 …………………………………………………………………… 353
9.3.1 经典加密的危机与量子加密的机遇…………………………………… 353
9.3.2 量子加密的理论依据…………………………………………………… 354
9.4 量子通信与量子加密 …………………………………………………………… 355
9.4.1 量子密钥分发…………………………………………………………… 355
9.4.2 量子加密技术…………………………………………………………… 360
9.4.3 量子签名………………………………………………………………… 361
9.5 国内量子计算和量子通信研究 ………………………………………………… 363
9.5.1 量子芯片与量子计算…………………………………………………… 363
9.5.2 量子局域网……………………………………………………………… 363
9.5.3 远程量子通信…………………………………………………………… 364
9.6 量子通信的应用案例 …………………………………………………………… 366
9.6.1 量子通信在金融领域的应用…………………………………………… 366
9.6.2 量子通信在政务领域的应用…………………………………………… 366
9.6.3 量子通信在数据中心/云领域的应用 ………………………………… 366
9.6.4 量子通信在医疗卫生领域的应用……………………………………… 367
9.6.5 量子通信在国家基础设施领域的应用………………………………… 367
参考文献………………………………………………………………………………… 367
附录 A 光的偏振…………………………………………………………………………… 368
A.1 自然光与偏振光 ………………………………………………………………… 368
A.2 起偏和检偏 马吕斯定律 ……………………………………………………… 369
A.3 反射和折射的光偏振 布儒斯特定律 ………………………………………… 372
1.1 电磁波的产生和传播 ……………………………………………………………… 1
1.1.1 从电磁振荡到电磁波……………………………………………………… 1
1.1.2 偶极振子发射的电磁波…………………………………………………… 3
*1.1.3 赫兹实验…………………………………………………………………… 3
1.1.4 光波属于电磁波…………………………………………………………… 4
*1.1.5 电磁波理论………………………………………………………………… 4
1.2 现代物理学的建立………………………………………………………………… 10
1.2.1 经典物理学的成熟标志———三次大综合 ……………………………… 10
1.2.2 迈克耳孙-莫雷实验 光速不变 ………………………………………… 12
1.2.3 相对论的创立过程 ……………………………………………………… 13
1.2.4 量子力学的诞生 ………………………………………………………… 15
1.3 狭义相对论的时空观……………………………………………………………… 17
1.3.1 伽利略变换 ……………………………………………………………… 17
1.3.2 相对论的基本假设 洛伦兹变换 ……………………………………… 18
1.4 相对论动力学……………………………………………………………………… 25
1.4.1 相对论中的质量和动量 ………………………………………………… 25
1.4.2 相对论中的质能关系 …………………………………………………… 26
1.4.3 相对论的应用 …………………………………………………………… 28
1.5 经典量子论………………………………………………………………………… 28
1.5.1 黑体辐射 普朗克量子化 ………………………………………………… 29
1.5.2 光电效应与光的粒子性 ………………………………………………… 32
1.5.3 康普顿效应 ……………………………………………………………… 34
1.5.4 氢原子模型和氢原子光谱 ……………………………………………… 36
*1.5.5 原子能级的测量 ………………………………………………………… 38
1.6 德布罗意波 物质的波粒二象性 ………………………………………………… 39
1.6.1 物质波 …………………………………………………………………… 39
1.6.2 电子衍射实验 …………………………………………………………… 40
1.6.3 不确定关系 ……………………………………………………………… 41
1.7 量子力学基础……………………………………………………………………… 42
1.7.1 波函数及其统计诠释 …………………………………………………… 42
1.7.2 薛定谔方程 ……………………………………………………………… 43
1.7.3 定态薛定谔方程的应用 ………………………………………………… 44
*1.8 原子的量子理论…………………………………………………………………… 47
1.8.1 氢原子…………………………………………………………………… 47
1.8.2 多电子原子中的电子分布 ……………………………………………… 51
参考文献 ………………………………………………………………………………… 53
附加读物 量子力学两大学派的关键人物 …………………………………………… 54
第2章 从半导体材料到芯片 ……………………………………………………………… 59
2.1 半导体电子结构…………………………………………………………………… 60
2.1.1 晶态固体的基本性质 …………………………………………………… 60
2.1.2 晶体中的电子状态 能带结构 …………………………………………… 61
2.1.3 本征半导体和杂质半导体 ……………………………………………… 63
2.2 pn结和其他半导体器件 ………………………………………………………… 64
2.2.1 pn结 ……………………………………………………………………… 64
2.2.2 三极管 …………………………………………………………………… 66
2.2.3 MOS场效应管…………………………………………………………… 68
2.3 集成电路…………………………………………………………………………… 71
2.3.1 半导体芯片制造工艺 …………………………………………………… 72
2.3.2 集成电路与半导体芯片 ………………………………………………… 75
2.3.3 集成电路设计与IP设计技术…………………………………………… 77
2.4 光刻技术…………………………………………………………………………… 79
2.4.1 光刻技术的发展史 ……………………………………………………… 79
2.4.2 光刻原理与技术 ………………………………………………………… 84
2.4.3 EUV 光刻机……………………………………………………………… 90
2.4.4 国内芯片产业的挑战 …………………………………………………… 97
参考文献 ………………………………………………………………………………… 98
第3章 零碳能源…………………………………………………………………………… 100
3.1 绿色环保的风力发电 …………………………………………………………… 101
3.1.1 风能利用及风力发电历史……………………………………………… 101
3.1.2 风力发电原理与效能分析……………………………………………… 102
3.1.3 风电机组………………………………………………………………… 103
3.1.4 风力发电的发展趋势及挑战…………………………………………… 106
3.2 可持续的水力发电 ……………………………………………………………… 108
3.2.1 水力发电的原理与基本类型…………………………………………… 109
3.2.2 水力发电机的结构……………………………………………………… 112
3.2.3 水轮发电机的工作原理………………………………………………… 113
3.3 清洁高效的核电能 ……………………………………………………………… 115
3.3.1 核裂变和核聚变的基本原理…………………………………………… 115
3.3.2 轻核聚变………………………………………………………………… 119
3.3.3 压水堆核电站…………………………………………………………… 122
3.3.4 核电站按反应堆类型分类……………………………………………… 124
3.3.5 核电站-安全保障系统 ………………………………………………… 126
3.3.6 我国核电的发展………………………………………………………… 127
3.4 取之不尽的太阳能 ……………………………………………………………… 127
3.4.1 太阳能与太阳辐射……………………………………………………… 127
3.4.2 太阳能电池工作原理…………………………………………………… 127
3.4.3 光伏发电技术与分类…………………………………………………… 129
3.4.4 光伏发电技术的应用…………………………………………………… 132
3.4.5 太阳能热水器工作原理………………………………………………… 133
参考文献………………………………………………………………………………… 134
第4章 纳米科技与锂离子电池…………………………………………………………… 135
4.1 纳米技术概述 …………………………………………………………………… 135
4.1.1 纳米材料与技术的发展概要…………………………………………… 135
4.1.2 纳米材料的特性………………………………………………………… 136
4.1.3 纳米材料的分类与制备………………………………………………… 138
4.2 典型的纳米材料与器件 ………………………………………………………… 140
4.2.1 纳米磁性材料…………………………………………………………… 140
4.2.2 纳米陶瓷材料…………………………………………………………… 141
4.2.3 碳纳米材料……………………………………………………………… 142
4.2.4 纳米膜…………………………………………………………………… 146
4.2.5 纳米电子技术…………………………………………………………… 147
4.2.6 纳米材料在生物医学的应用…………………………………………… 148
4.3 介孔材料 ………………………………………………………………………… 149
4.3.1 两类介孔材料…………………………………………………………… 149
4.3.2 MCM-41有序介孔材料 ……………………………………………… 150
4.4 纳米结构的自组装和模板合成技术 …………………………………………… 154
4.4.1 纳米结构的自组装……………………………………………………… 154
4.4.2 厚膜模板合成纳米阵列………………………………………………… 155
4.4.3 有序介孔材的应用……………………………………………………… 157
4.5 锂离子电池概况 ………………………………………………………………… 157
4.5.1 锂离子电池的特点……………………………………………………… 157
4.5.2 锂离子电池的种类……………………………………………………… 158
4.5.3 锂离子电池的优点和用途……………………………………………… 159
4.5.4 锂离子电池的发展历史………………………………………………… 161
4.6 锂离子电池的工作机理及其组成结构 ………………………………………… 164
4.6.1 正极材料制备及其工作机理…………………………………………… 166
4.6.2 锂离子电池的负极材料………………………………………………… 169
4.6.3 电解液…………………………………………………………………… 172
4.6.4 隔膜……………………………………………………………………181
4.6.5 锂离子电池充电方法…………………………………………………… 185
4.7 锂电池生产工序 ………………………………………………………………… 185
4.7.1 前段工序………………………………………………………………… 186
4.7.2 中段工序………………………………………………………………… 187
4.7.3 后段工序………………………………………………………………… 187
4.8 全固态锂电池 …………………………………………………………………… 188
4.8.1 全固态锂电池的原理…………………………………………………… 188
4.8.2 全固态电池的性质……………………………………………………… 190
4.8.3 全固态电池的用途……………………………………………………… 191
4.8.4 全固态电池实用化的研究……………………………………………… 195
参考文献………………………………………………………………………………… 195
第5章 光纤通信技术……………………………………………………………………… 197
5.1 激光的基本原理 ………………………………………………………………… 197
5.1.1 自发辐射和受激辐射…………………………………………………… 197
5.1.2 粒子数反转与光放大…………………………………………………… 198
5.1.3 光学谐振腔……………………………………………………………… 199
5.2 半导体激光器 …………………………………………………………………… 200
5.2.1 半导体的产生受激辐射的条件………………………………………… 200
5.2.2 半导体激光器的工作原理……………………………………………… 201
5.2.3 激光的特性和应用……………………………………………………… 204
5.3 信息传递的主力军———光纤通信 ……………………………………………… 205
5.3.1 发展历程简介…………………………………………………………… 206
5.3.2 光纤通信原理…………………………………………………………… 207
5.3.3 数字光接收机…………………………………………………………… 209
5.4 光纤传输机理 …………………………………………………………………… 213
5.4.1 光射线的传播定律……………………………………………………… 213
5.4.2 光纤传输机理的射线理论……………………………………………… 215
5.4.3 阶跃型光纤的波动光学理论…………………………………………… 218
5.5 光纤放大器 ……………………………………………………………………… 224
5.5.1 EDFA 光纤放大器的工作原理………………………………………… 224
5.5.2 光纤放大器的构成及泵浦方式………………………………………… 224
5.5.3 光纤放大器的应用 …………………………………………………… 226
名人堂:光纤之父高锟与光纤通信 …………………………………………………… 227
5.6 海底光缆 ………………………………………………………………………… 229
5.6.1 设备结构………………………………………………………………… 229
5.6.2 远供电源设备和海底中继器…………………………………………… 230
5.6.3 技术原理………………………………………………………………… 231
5.6.4 海底光缆的维护………………………………………………………… 232
5.6.5 海底光缆的发展现状和展望…………………………………………… 232
参考文献………………………………………………………………………………… 234
第6章 多维度光纤传输与全光纤网络…………………………………………………… 235
6.1 多维度光纤通信 ………………………………………………………………… 236
6.1.1 提高信号的波特率……………………………………………………… 236
6.1.2 光纤通信复用技术……………………………………………………… 237
6.1.3 高阶调制………………………………………………………………… 239
6.2 光调制技术 ……………………………………………………………………… 239
6.2.1 光通信调制原理………………………………………………………… 239
6.3 光调制器及其光调制技术 ……………………………………………………… 243
6.3.1 幅度调制………………………………………………………………… 243
6.3.2 光相位调制……………………………………………………………… 245
6.4 多维度光纤传输的研究进展 …………………………………………………… 248
6.4.1 光纤通信技术的研究现状……………………………………………… 248
6.4.2 多维度光纤传输技术的研究进展……………………………………… 249
6.5 光纤通信网 ……………………………………………………………………… 252
6.5.1 光纤传输网……………………………………………………………… 253
6.5.2 光纤网络中的网名和地址……………………………………………… 259
6.5.3 全光网(AON) ………………………………………………………… 260
参考文献………………………………………………………………………………… 263
第7章 相干光通信………………………………………………………………………… 264
7.1 相干光通信的研究现状 ………………………………………………………… 264
7.1.1 研究现状………………………………………………………………… 264
7.1.2 相干光通信的优势……………………………………………………… 265
7.2 相干光通信原理与核心技术 …………………………………………………… 266
7.2.1 相干光通信原理………………………………………………………… 266
7.2.2 相干光通信的关键技术………………………………………………… 266
7.3 单空间模的连续变量相干光通信 ……………………………………………… 270
7.3.1 单光束相干光通信的基本原理………………………………………… 271
7.3.2 两种偏振复用调制协议………………………………………………… 272
7.3.3 偏振复用的 CV-QKD实验系统 ……………………………………… 273
7.3.4 偏振复用与解复用的实现……………………………………………… 274
7.3.5 基于查表法的高速控制方案…………………………………………… 277
7.4 Stokes参量测量与解码 ………………………………………………………… 278
7.4.1 Stokes参量的测量原理 ……………………………………………… 278
7.4.2 零差测量S2 分量 ……………………………………………………… 278
7.4.3 零差测量S3 分量 ……………………………………………………… 279
7.5 实验测量与误差分析……………………………………………………… 279
7.5.1 光强衰减方案…………………………………………………………… 280
7.5.2 随机编码实验…………………………………………………………… 282
7.5.3 系统噪声分析…………………………………………………………… 283
7.5.4 RQNN 辅助下的Stokes参量编码实验 ……………………………… 285
7.5.5 误码率统计……………………………………………………………… 289
参考文献………………………………………………………………………………… 290
第8章 星链系统及其创新技术…………………………………………………………… 291
8.1 无线通信与卫星通信 …………………………………………………………… 292
8.1.1 无线通信原理…………………………………………………………… 292
8.1.2 卫星通信………………………………………………………………… 295
8.2 星链系统概况 …………………………………………………………………… 301
8.2.1 星链计划的建设情况…………………………………………………… 301
8.2.2 星链卫星技术参数……………………………………………………… 302
8.2.3 星链系统的特色………………………………………………………… 303
8.3 星链网的空间结构卫星 ………………………………………………………… 305
8.3.1 星链系统的空间构架和网络…………………………………………… 306
8.3.2 星座的设计理念………………………………………………………… 308
8.3.3 卫星……………………………………………………………………… 310
8.3.4 自主规避碰撞系统……………………………………………………… 314
8.4 猎鹰9号火箭 …………………………………………………………………… 315
8.4.1 “猎鹰9号”的设计思路………………………………………………… 315
8.5 Kr离子推进器 …………………………………………………………………… 320
8.5.1 离子推进器的结构与基本工作原理…………………………………… 321
8.5.2 离子推进器的优势……………………………………………………… 321
8.6 星间链路与激光通信 …………………………………………………………… 323
8.6.1 星间链路的几何特性…………………………………………………… 323
8.6.2 星链系统的星间链路技术……………………………………………… 325
8.6.3 使用频谱………………………………………………………………… 327
8.7 地面段 用户段和星链终端天线 ……………………………………………… 330
8.7.1 星链终端天线特性……………………………………………………… 330
8.7.2 相控阵列平板天线结构及其工作原理………………………………… 333
8.7.3 地面站的工作原理……………………………………………………… 336
8.8 星链技术的危害和潜在威胁及其应对措施 …………………………………… 338
8.8.1 带来的危害……………………………………………………………… 338
8.8.2 潜在威胁………………………………………………………………… 339
8.8.3 应对措施………………………………………………………………… 340
8.8.4 中国星网计划…………………………………………………………… 340
参考文献………………………………………………………………………………… 343
第9章 量子计算与量子加密……………………………………………………………… 344
9.1 量子计算机 ……………………………………………………………………… 344
9.1.1 量子力学的数学描述…………………………………………………… 344
9.1.2 量子计算原理…………………………………………………………… 345
9.2 几种量子算法 …………………………………………………………………… 350
9.2.1 量子傅里叶(Fourier)变换 …………………………………………… 350
9.2.2 Shor算法 ……………………………………………………………… 351
9.2.3 量子搜索………………………………………………………………… 352
9.3 量子加密原理 …………………………………………………………………… 353
9.3.1 经典加密的危机与量子加密的机遇…………………………………… 353
9.3.2 量子加密的理论依据…………………………………………………… 354
9.4 量子通信与量子加密 …………………………………………………………… 355
9.4.1 量子密钥分发…………………………………………………………… 355
9.4.2 量子加密技术…………………………………………………………… 360
9.4.3 量子签名………………………………………………………………… 361
9.5 国内量子计算和量子通信研究 ………………………………………………… 363
9.5.1 量子芯片与量子计算…………………………………………………… 363
9.5.2 量子局域网……………………………………………………………… 363
9.5.3 远程量子通信…………………………………………………………… 364
9.6 量子通信的应用案例 …………………………………………………………… 366
9.6.1 量子通信在金融领域的应用…………………………………………… 366
9.6.2 量子通信在政务领域的应用…………………………………………… 366
9.6.3 量子通信在数据中心/云领域的应用 ………………………………… 366
9.6.4 量子通信在医疗卫生领域的应用……………………………………… 367
9.6.5 量子通信在国家基础设施领域的应用………………………………… 367
参考文献………………………………………………………………………………… 367
附录 A 光的偏振…………………………………………………………………………… 368
A.1 自然光与偏振光 ………………………………………………………………… 368
A.2 起偏和检偏 马吕斯定律 ……………………………………………………… 369
A.3 反射和折射的光偏振 布儒斯特定律 ………………………………………… 372
