光波導理論基礎(第2版)（簡體書）

本書以幾何光學和電磁場理論為基礎，系統闡述了介質光波導的分析方法和光傳輸特性。光波導涉及階躍式折射率分佈和漸變式折射率分佈的二維薄膜波導、三維平面波導、光纖以及光子晶體波導。主要內容涵蓋各種波導的解析與數值分析方法、模式分類與特徵、模式場的分佈與傳輸特性、模式耦合理論等。詳細介紹了多種無源和有源光器件的結構、基本原理及工作特性，關於波導的製備和表徵也做了介紹。每章都附有一定數量的習題。本書可作為高等學校光學工程、光電子、光通信等專業的研究生及高年級本科生的教材，也可供相關專業的教師和科研人員參考。

李淑鳳，博士，副教授，大連理工大學物理與光電工程學院，主要講授《光波導理論基礎》研究生課程，以及本科生的《大學物理》

再 版 前 言
我們所處的信息化時代，主要特徵是光纖通信和信息網絡。獲取信息、傳輸信息、處理信息和存儲信息已成為社會生活越來越廣泛的需要，對之要求亦越來越高。與信息有關的光通信、光電子、光傳感、光集成、半導體激光等各種新技術，正以空前的速度和規模迅猛發展。隨著光傳輸技術和半導體激光技術的發展而逐步建立起來的光波導理論是光通信與光電子技術的主要理論基礎，一直受到科技人員的重視。掌握該理論對有關專業的研究工作者和技術人員理解新概念、掌握新方法、發現新現象和創造新技術都是十分必要和有益的。
目前國內外許多高校為光學工程、光學、光電子、光通信等相關專業的研究生和高年級本科生開設了與光波導相關的課程。國內的相關教材中，葉培大、吳彝尊的《光波導技術基本理論》（人民郵電出版社，1981）應是最為經典的關於光波導的理論與技術的著作之一，內容側重於基本理論，但因出版時間較早，內容已顯不足，滿足不了教學和科研的發展需求。其他光波導類的一些專著或教材雖然各有特色，但在教學中使用還是不盡如人意，內容上不能兼顧，或者太注重理論、講述上過於冗長、繁雜、難度高、不便於取捨，或者傾向於波導技術和器件方面，又或者過於基本，並且都很少配有習題。國外相關教材，也存在類似的問題。為適應教學需要並體現該領域的發展，特編寫本教材。
教材本著“厚基礎，重應用，使讀者學以致用”的理念，讀者不但能夠掌握光波導基本理論知識，又能掌握分析、製備光波導及器件的基本思想和方法。全書共12章，基於幾何光學和電磁場理論，系統地介紹和分析了各類光波導。所選取的內容都是光波導的基礎理論部分，基本覆蓋了實際應用中所涉及的知識，對光波導的場模式理論、傳輸和耦合理論、無源光器件、有源光器件等都做了詳盡論述。在教材的編寫上，作者力求理論、應用體系完整，物理概念清晰明確，內容簡明扼要，數學推導簡潔嚴整。
本教材具有以下幾方面的特點：
（1）本教材是作者講授光波導理論課程十餘年，在早期課程講義的基礎上完成的。理論內容不斷完善的同時，為體現學科前沿成果，保證教材質量，在內容上充分吸收國內外相關研究成果，並融入編著者在無源/有源光波導領域的部分研究成果，突出思想性、針對性、科學性和系統性。
（2）除同類圖書的波導的解析分析方法之外，詳細介紹了光波導的數值分析方法――有限元法，另外在平面波導和光纖的模式理論中採用了獨特的特徵方程的圖像解法，非常有助於學生對導模特性和模截止概念的理解。
（3）書中涉及二維和三維介質波導，含均勻波導、漸變波導以及光子晶體波導，分析方法從幾何光學到電磁場波動理論，從解析到數值，波導器件從無源到有源，波導知識從基礎到前沿，光波導理論與波導器件、光波導的製備與表徵知識相結合，教材呈現的光波導的理論與應用知識體系更加完整。
（4）每章均編寫有基本概念和習題。
（5）製作了與教材配套的電子課件。
本書第1版自2013年4月出版以來，先後有多所院校選為教材或主要參考教材，並得到廣大師生的諸多好評和反饋意見。第2版除修正了書中的一些錯誤和使內容敘述更為準確嚴謹外，又參考了專家和讀者的意見，新增和調整了部分章節的內容，主要體現在：新增4.7節折射率漸變薄膜波導――WKB法，9.6節光波導傳感器，9.7節波導微環諧振器；第10章設為有源光器件，原第10章的光波導放大器調整為10.1節，新增10.2節光波導調製器；同時各章增加若干習題。此外，新增了與教材配套的完整電子課件。這樣，第2版教材將更利於學生系統掌握光波導的理論知識、分析方法和應用技術，亦可供相關專業教師和科研人員參考。
本書第1～8章、第11章由李淑鳳編寫，第9、10、12章由李成仁編寫，全書由李淑鳳統稿並完成教學課件的製作，李春燕參與了部分課件的製作工作。由衷感謝趙明山教授的寶貴建議及對書稿的審閱。作者在此還要對原課程講義的作者宋昌烈教授表示深深的謝意。本書的完成得到了大連理工大學教改基金的資助。 電子工業出版社韓同平編輯為本書的再版付出很多精力，也在此表示衷心感謝。
因水平有限，修訂仍難免有不足和錯誤之處，懇請專家和讀者批評指正。
作者聯繫方式：lisf@dlut.edu.cn
lnnulicr@aliyun.com


編著者

目 錄


第1章 電磁場理論 （1）
1.1 麥克斯韋方程 （1）
1.2 電磁場邊界條件 （2）
1.3　單色平面電磁波 （3）
1.4 坡印亭矢量和傳輸功率 （4）
1.5 亥姆霍茲方程 （5）
1.6 平面電磁波的反射和折射 （6）
1.7 光的全反射與倏逝波 （7）
1.8　全反射相移與古斯-漢森位移 （8）
習題 （10）
第2章 幾何光學 （11）
2.1　程函方程 （11）
2.2 光傳播路徑分析 （12）
2.2.1 光線方程 （12）
2.2.2 光線方程應用舉例 （12）
2.3 費馬原理 （13）
習題 （14）
第3章 光波導幾何分析 （15）
3.1　均勻介質薄膜波導 （15）
3.2　折射率漸變薄膜波導中的光線 （16）
3.3　階躍光纖中的光線 （17）
3.3.1 子午光線 （18）
3.3.2 偏斜光線 （19）
3.4　梯度光纖中的光線 （20）
3.4.1 柱坐標的光線方程 （20）
3.4.2 光線不變量 （21）
3.4.3 光線判據函數 （21）
3.4.4 光線分析 （22）
3.5 傳播時延與色散 （24）
3.5.1 均勻介質波導的時延差 （25）
3.5.2 折射率漸變介質波導的時延差 （25）
3.5.3 光纖的色散 （27）
習題 （28）
第4章 薄膜波導模式理論 （30）
4.1　均勻薄膜波導特徵方程 （30）
4.2 薄膜波導電磁場方程 （31）
4.3　TE模分析 （33）
4.4　TM模分析 （35）
4.5　導模特性 （36）
4.5.1 導模截止 （36）
4.5.2 導模定則 （37）
4.5.3 導模數量 （38）
4.5.4 單模傳輸 （39）
4.5.5 截止波長 （39）
4.5.6 歸一化參量與薄膜波導色散曲線 （40）
4.6　導模光強和功率 （41）
4.6.1 導模光強 （41）
4.6.2 傳輸功率 （42）
4.7　折射率漸變薄膜波導?WKB法 （43）
4.7.1 場的近似表示式 （43）
4.7.2 轉折點附近的近似解 （44）
4.7.3 漸變薄膜波導特徵方程 （45）
習題 （46）
第5章 三維光波導 （48）
5.1　三維光波導結構 （48）
5.2　馬卡提裡近似法 （49）
5.3　場方程與形式解 （50）
5.4 模特征方程 （51）
5.5 模特征方程 （53）
5.6 模式特性 （54）
5.6.1 導模條件與模截止 （54）
5.6.2 單模傳輸 （56）
5.6.3 截止波長 （56）
5.6.4 矩形波導色散曲線與模場分佈 （57）
5.7 有效折射率法 （58）
5.7.1 矩形波導 （58）
5.7.2 脊波導 （59）
5.7.3 條載波導及四層平板波導 （60）
習題 （62）
第6章 光纖模式理論 （63）
6.1 光纖的電磁場方程 （63）
6.2 階躍光纖電磁場方程的矢量解法 （65）
6.2.1 芯區和包層的電磁場 （65）
6.2.2 導模特征方程 （68）
6.2.3 導模分類 （68）
6.2.4 導模截止條件與單模傳輸 （70）
6.2.5 模色散曲線 （75）
6.2.6 導模電磁場分佈 （76）
6.3 光纖的線偏振模 （79）
6.3.1 場的直角分量與場方程的標量解法 （79）
6.3.2 線偏振模及簡並度 （81）
6.3.3 LPmn模的矢量模組成 （82）
6.3.4 LP模光強和功率 （83）
6.3.5 階躍多模光纖的導模數量 （86）
6.4 梯度光纖模場分析 （86）
6.4.1 梯度光纖場方程及標量解 （87）
6.4.2 傳播常數 （89）
6.4.3 模式群和導模數量 （90）
習題 （90）
第7章 電磁場分析的有限元法 （92）
7.1 微分方程邊值問題 （92）
7.1.1 邊值問題 （92）
7.1.2 Ritz方法 （93）
7.1.3 Galerkin方法 （94）
7.1.4 本征值方程 （95）
7.2　有限元分析 （95）
7.2.1 區域離散和單元劃分 （96）
7.2.2 線性插值函數與基函數 （96）
7.2.3 單元方程的擴展―全域方程的建立 （97）
7.2.4 二階單元與基函數 （99）
7.3 光波導模式問題的應用舉例 （99）
7.3.1 單元大小對計算結果的影響 （99）
7.3.2 脊波導模場的有限元計算 （100）
7.3.3　偽模 （102）
習題 （102）
第8章 模式耦合理論 （103）
8.1 模式的正交性與完備性 （103）
8.1.1 橫場方程 （103）
8.1.2 模式的正交性及歸一化 （104）
8.1.3 展開式的完備性 （106）
8.2　模耦合方程 （106）
8.2.1 理想正規模式展開的模耦合方程 （106）
8.2.2 本地正規模式展開的模耦合方程 （108）
8.3 模耦合方程的微擾解―雙向模耦合 （109）
習題 （110）
第9章 無源光器件 （111）
9.1 光纖光柵 （111）
9.1.1　光纖光柵耦合方程 （112）
9.1.2　光纖光柵傳輸特性 （114）
9.1.3　光纖光柵濾波特性 （115）
9.2 平面波導光柵 （117）
9.3 雙波導定向耦合器 （120）
9.4 波分複用/解複用器 （122）
9.4.1 角色散型 （123）
9.4.2 干涉型 （125）
9.4.3F-P腔光濾波型 （127）
9.4.4 陣列波導光柵 （128）
9.5 光開關 （129）
9.6 光波導傳感器 （132）
9.6.1 光波導傳感器的特點 （132）
9.6.2 典型光波導傳感器結構和原理 （133）
9.7 波導微環諧振器 （135）
9.7.1 波導微環諧振器的特點 （135）
9.7.2 波導微環諧振器的基本結構和製備工藝 （135）
9.7.3 波導微環諧振器的基本原理 （137）
習題 （140）
第10章 有源光器件 （142）
10.1 光波導放大器 （142）
10.1.1 概述 （142）
10.1.2 鉺離子的光譜特性 （144）
10.1.3 速率方程 （147）
10.1.4 光波傳輸方程 （152）
10.1.5 放大器增益特性 （153）
10.2 光波導調製器 （157）
10.2.1 光調製器 （157）
10.2.2 晶體的電光效應 （157）
10.2.3 光波導調製器 （159）
習題 （161）
第11章 光子晶體波導 （162）
11.1 光子晶體理論 （162）
11.1.1 光子晶體結構與兩種晶格 （162）
11.1.2 平面波展開法 （165）
11.1.3 二維光子晶體帶隙結構 （167）
11.2 光子晶體波導 （169）
11.2.1 二維光子晶體波導 （169）
11.2.2 二維平板光子晶體波導 （170）
習題 （172）
第12章 光波導的製備 （173）
12.1 概述 （173）
12.2 光纖製造 （174）
12.3 薄膜製備 （174）
12.3.1 蒸發法 （175）
12.3.2 直流磁控濺射法 （175）
12.3.3 中頻、射頻磁控濺射法 （176）
12.3.4 脈衝激光沉積法 （176）
12.3.5 薄膜製備的化學方法 （177）
12.3.6 薄膜的退火 （178）
12.4 薄膜的表徵 （179）
12.4.1 X射線衍射儀 （179）
12.4.2 掃描電鏡 （180）
12.4.3 電子探針 （181）
12.5 三維光波導的製作 （182）
12.5.1 光刻技術 （182）
12.5.2 加工技術 （183）
習題 （185）
附錄A Bessel函數 （186）
A.1 Bessel方程與Bessel函數 （186）
A.2 各類Bessel函數的漸近展開式 （187）
A.3 Bessel函數的遞推關係 （187）
附錄B LPmn模特征方程與其組成的矢量模特征方程的等價性 （189）
附錄C 二維散度定理和自伴算符 （190）
C.1 二維散度定理 （190）
C.2 自伴算符 （190）
參考文獻 （191）