光波导理论基础教程

第1章 电磁场理论 （1）

1.1 麦克斯韦方程 （1）

1.2 电磁场边界条件 （2）

1.3　单色平面电磁波 （3）

1.4 坡印亭矢量和传输功率 （4）

1.5 亥姆霍兹方程 （5）

1.6 平面电磁波的反射和折射 （6）

1.7 光的全反射与倏逝波 （7）

1.8　全反射相移与古斯-汉森位移 （8）

习题 （10）

第2章 几何光学 （11）

2.1　程函方程 （11）

2.2 光传播路径分析 （12）

2.2.1 光线方程 （12）

2.2.2 光线方程应用举例 （12）

2.3 费马原理 （13）

习题 （14）

第3章 光波导几何分析 （15）

3.1　均匀介质薄膜波导 （15）

3.2　折射率渐变薄膜波导中的光线 （16）

3.3　阶跃光纤中的光线 （17）

3.3.1 子午光线 （18）

3.3.2 偏斜光线 （19）

3.4　梯度光纤中的光线 （20）

3.4.1 柱坐标的光线方程 （20）

3.4.2 光线不变量 （21）

3.4.3 光线判据函数 （21）

3.4.4 光线分析 （22）

3.5 传播时延与色散特性 （24）

3.5.1 均匀介质波导的时延差 （24）

3.5.2 折射率渐变介质波导的时延差 （25）

3.5.3 光纤的色散 （27）

习题 （28）

第4章 薄膜波导模式理论 （30）

4.1　均匀薄膜波导特征方程 （30）

4.2 薄膜波导电磁场方程 （31）

4.3　TE模分析 （33）

4.4　TM模分析 （35）

4.5　导模特性 （36）

4.5.1 导模截止 （36）

4.5.2 导模定则 （37）

4.5.3 导模数量 （38）

4.5.4 单模传输 （39）

4.5.5 截止波长 （39）

4.5.6 归一化参量与薄膜波导色散曲线 （40）

4.6　导模光强和功率 （41）

4.6.1 导模光强 （41）

4.6.2 传输功率 （42）

习题 （43）

第5章 三维光波导 （44）

5.1　三维光波导结构 （44）

5.2　马卡提里近似法 （45）

5.3　场方程与形式解 （46）

5.4　 模特征方程 （47）

5.5　 模特征方程 （49）

5.6 模式特性 （50）

5.6.1 导模条件与模截止 （50）

5.6.2 单模传输 （52）

5.6.3 截止波长 （52）

5.6.4 矩形波导色散曲线与模场分布 （53）

5.7 有效折射率法 （54）

5.7.1 矩形波导 （54）

5.7.2 脊波导 （55）

5.7.3 条载波导及四层平板波导 （56）

习题 （58）

第6章 光纤模式理论 （59）

6.1 光纤的电磁场方程 （59）

6.2 阶跃光纤电磁场方程的矢量解法 （61）

6.2.1 芯区和包层的电磁场 （61）

6.2.2 导模特征方程 （64）

6.2.3 导模分类 （64）

6.2.4 导模截止条件与单模传输 （66）

6.2.5 模色散曲线 （71）

6.2.6 导模电磁场分布 （72）

6.3 光纤的线偏振模 （75）

6.3.1 场的直角分量与场方程的标量解法 （75）

6.3.2 线偏振模及简并度 （77）

6.3.3 LPmn模的矢量模组成 （79）

6.3.4 LP模光强和功率 （80）

6.3.5 阶跃多模光纤的导模数量 （82）

6.4 梯度光纤模场分析 （83）

6.4.1 梯度光纤场方程及标量解 （83）

6.4.2 传播常数 （86）

6.4.3 模式群和导模数量 （86）

习题 （87）

第7章 电磁场分析的有限元法 （89）

7.1 微分方程边值问题 （89）

7.1.1 边值问题 （89）

7.1.2 Ritz方法 （90）

7.1.3 Galerkin方法 （91）

7.1.4 本征值方程 （92）

7.2　有限元分析 （92）

7.2.1 区域离散和单元划分 （93）

7.2.2 线性插值函数与基函数 （93）

7.2.3 单元方程的扩展—全局方程的建立 （94）

7.2.4 二阶单元与基函数 （96）

7.3 光波导模式问题的应用举例 （96）

7.3.1 单元大小对计算结果的影响 （96）

7.3.2 脊波导模场的有限元计算 （97）

7.3.3　伪模 （99）

习题 （99）

第8章 模式耦合理论 （100）

8.1 模式的正交性与完备性 （100）

8.1.1 横场方程 （100）

8.1.2 模式的正交性及归一化 （101）

8.1.3 展开式的完备性 （103）

8.2　模耦合方程 （103）

8.2.1 理想正规模式展开的模耦合方程 （103）

8.2.2 本地正规模式展开的模耦合方程 （105）

8.3 模耦合方程的微扰解—双向模耦合 （106）

习题 （107）

第9章 无源光器件 （108）

9.1 光纤光栅 （108）

9.1.1　光纤光栅耦合方程 （109）

9.1.2　光纤光栅传输特性 （111）

9.1.3　光纤光栅滤波特性 （112）

9.2 平面波导光栅 （114）

9.3 双波导定向耦合器 （117）

9.4 波分复用/解复用器 （120）

9.4.1 角色散型 （120）

9.4.2 干涉型 （122）

9.4.3 F-P腔光滤波型 （124）

9.4.4 阵列波导光栅 （125）

9.5 光开关 （126）

习题 （129）

第10章 光波导放大器 （130）

10.1 概述 （130）

10.2 铒离子的光谱特性 （131）

10.2.1 Er3 能级结构 （131）

10.2.2 Er3 的光致发光机制 （133）

10.3 速率方程 （134）

10.3.1 光放大原理及光泵浦波长 （134）

10.3.2 镱-铒共掺系统的速率方程 （136）

10.3.3 铒离子荧光特性 （138）

10.3.4 粒子数反转 （139）

10.4 光波传输方程 （140）

10.5 放大器增益特性 （141）

习题 （144）

第11章 光子晶体波导 （146）

11.1 光子晶体理论 （146）

11.1.1 光子晶体结构与两种晶格 （146）

11.1.2 平面波展开法 （149）

11.1.3 二维光子晶体带隙结构 （151）

11.2 光子晶体波导 （153）

11.2.1 二维光子晶体波导 （153）

11.2.2 二维平板光子晶体波导 （154）

习题 （156）

第12章 光波导的制备 （157）

12.1 概述 （157）

12.2 光纤制造 （158）

12.3 薄膜制备 （158）

12.3.1 蒸发法 （159）

12.3.2 直流磁控溅射法 （159）

12.3.3 中频、射频磁控溅射法 （160）

12.3.4 脉冲激光沉积法 （160）

12.3.5 薄膜制备的化学方法 （161）

12.3.6 薄膜的退火 （162）

12.4 薄膜的表征 （163）

波导涉及阶跃式折射率分布和渐变式折射率分布的二维薄膜波导、三维条形波导及光纤，主要内容涵盖各种波导的解析与数值分析方法、模式分类与特征、模式场的分布与传输特性、模耦合理论等，并介绍了几种无源光波导器件和光波导放大器的工作原理及特性，同时对光子晶体波导也做了介绍。每章都附有一定数量的习题。

本书系统地讲述了目前发展比较迅速的光波导传输理论和光通信器件的工作原理。

本书的第1章是对光通信及相应的器件的一个概略介绍。第2章是电磁场理论基础，介绍经典电磁理论的主要结论。第3章是几何光学分析方法，讲述光波导中光的传播规律。第4章讲述平面波导及条形波导的模式理论。第5章介绍光纤的模式理论。第6章讲述光纤的色散特性和色散补偿技术。第7章是光纤的非线性传输理论，讲述光纤中重要的非线性效应。第8章介绍光通信系统中常用的无源光器件的结构、工作原理和特性。第9章讲述有源光器件的结构、工作原理及特性。

本书的作者长年为本科生和研究生讲授《光纤通信》、《光纤传输理论》课程，因此本书可以作为相关专业的本科生和研究生的教材。对于从事与光纤通信相关工作的工程技术人员，本书也可以提供有益的参考。

本书以几何光学和电磁场理论为基础，系统阐述了介质光波导的分析方法和光传输特性。光波导涉及阶跃式折射率分布和渐变式折射率分布的二维薄膜波导、三维平面波导、光纤以及光子晶体波导。主要内容涵盖各种波导的解析与数值分析方法、模式分类与特征、模式场的分布与传输特性、模式耦合理论等。详细介绍了多种无源和有源光器件的结构、基本原理及工作特性，关于波导的制备和表征也做了介绍。每章都附有一定数量的习题。本书可作为高等学校光学工程、光电子、光通信等专业的研究生及高年级本科生的教材，也可供相关专业的教师和科研人员参考。