《光電信息科學(xué)與工程類(lèi)專業(yè)規(guī)劃教材：光波導(dǎo)理論基礎(chǔ)教程》以幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述了介質(zhì)光波導(dǎo)的分析方法和光傳輸特性。波導(dǎo)涉及階躍式折射率分布和漸變式折射率分布的二維薄膜波導(dǎo)、三維條形波導(dǎo)及光纖，主要內(nèi)容涵蓋各種波導(dǎo)的解析與數(shù)值分析方法、模式分類(lèi)與特征、模式場(chǎng)的分布與傳輸特性、模耦合理論等，并介紹了幾種無(wú)源光波導(dǎo)器件和光波導(dǎo)放大器的工作原理及特性，同時(shí)對(duì)光子晶體波導(dǎo)也做了介紹。每章都附有一定數(shù)量的習(xí)題。
21世紀(jì)人類(lèi)已進(jìn)入以光通信和信息網(wǎng)絡(luò)為主要特征的信息時(shí)代，社會(huì)和科技領(lǐng)域?qū)τ讷@取信息、傳輸信息、處理信息和存儲(chǔ)信息的要求越來(lái)越高。與信息有關(guān)的光通信、光電子、光傳感、光集成、半導(dǎo)體激光等各種新技術(shù)，正以空前的速度和規(guī)模迅猛發(fā)展。隨著光傳輸技術(shù)和半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展而逐步建立起來(lái)的光波導(dǎo)理論是光通信與光電子技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)，一直受到科技人員的重視。掌握該理論對(duì)有關(guān)專業(yè)的研究工作者和技術(shù)人員理解新概念、掌握新方法、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和創(chuàng)造新技術(shù)都是十分必要和有益的。
目前國(guó)內(nèi)外許多高校都為光學(xué)工程、光學(xué)、光電子、光通信等相關(guān)專業(yè)的研究生和高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)了光波導(dǎo)理論課程。本書(shū)是作者在十余年講授研究生課程“光波導(dǎo)理論基礎(chǔ)”的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程講義和作者的科研成果而完成的。
本書(shū)共12章，系統(tǒng)地介紹了分析光波導(dǎo)的幾何光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論，所選擇的內(nèi)容都是光波導(dǎo)的基礎(chǔ)理論部分，對(duì)光波導(dǎo)的場(chǎng)模式理論、傳輸理論、光無(wú)源器件、光有源器件等都做了詳盡論述。為體現(xiàn)學(xué)科前沿成果，保證教材質(zhì)量，在內(nèi)容上充分吸收國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，并融入編著者近年來(lái)在無(wú)源/有源光波導(dǎo)領(lǐng)域的部分研究成果，突出思想性、針對(duì)性、科學(xué)性和系統(tǒng)性。在教材的編寫(xiě)上，作者力求理論體系完整、物理概念清晰明確、內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要、數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡(jiǎn)潔嚴(yán)整。
本書(shū)第1章～第8章、第11章由李淑鳳、宋昌烈編寫(xiě)，第9章由李成仁和李淑鳳編寫(xiě)，第10章、第12章由李成仁編寫(xiě)，李淑鳳統(tǒng)編全稿。宋昌烈教授在編寫(xiě)課程講義和詳細(xì)教材大綱中付出了大量心血。研究生馮希會(huì)、杜雨洲和梁翠翠做了部分?jǐn)?shù)值計(jì)算、習(xí)題編寫(xiě)和校對(duì)工作。趙明山教授認(rèn)真審閱了全部書(shū)稿，并提出了許多寶貴建議。
本教材是在大連理工大學(xué)研究生院教改基金資助下完成的，同時(shí)得到了物理與光電工程學(xué)院以及光學(xué)工程學(xué)科的大力支持。
由于作者水平有限，書(shū)中難免有不妥和錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作者
于大連理工大學(xué)
第1章 電磁場(chǎng)理論
1.1 麥克斯韋方程
1.2 電磁場(chǎng)邊界條件
1.3 單色平面電磁波
1.4 坡印亭矢量和傳輸功率
1.5 亥姆霍茲方程
1.6 平面電磁波的反射和折射
1.7 光的全反射與倏逝波
1.8 全反射相移與古斯-漢森位移
習(xí)題
第2章 幾何光學(xué)
2.1 程函方程
2.2 光傳播路徑分析
2.2.1 光線方程
2.2.2 光線方程應(yīng)用舉例
2.3 費(fèi)馬原理
習(xí)題
第3章 光波導(dǎo)幾何分析
3.1 均勻介質(zhì)薄膜波導(dǎo)
3.2 折射率漸變薄膜波導(dǎo)中的光線
3.3 階躍光纖中的光線
3.3.1 子午光線
3.3.2 偏斜光線
3.4 梯度光纖中的光線
3.4.1 柱坐標(biāo)的光線方程
3.4.2 光線不變量
3.4.3 光線判據(jù)函數(shù)
3.4.4 光線分析
3.5 傳播時(shí)延與色散特性
3.5.1 均勻介質(zhì)波導(dǎo)的時(shí)延差
3.5.2 折射率漸變介質(zhì)波導(dǎo)的時(shí)延差
3.5.3 光纖的色散
習(xí)題
第4章 薄膜波導(dǎo)模式理論
4.1 均勻薄膜波導(dǎo)特征方程
4.2 薄膜波導(dǎo)電磁場(chǎng)方程
4.3 TE模分析
4.4 TM模分析
4.5 導(dǎo)模特性
4.5.1 導(dǎo)模截止
4.5.2 導(dǎo)模定則
4.5.3 導(dǎo)模數(shù)量
4.5.4 單模傳輸
4.5.5 截止波長(zhǎng)
4.5.6 歸一化參量與薄膜波導(dǎo)色散曲線
4.6 導(dǎo)模光強(qiáng)和功率
4.6.1 導(dǎo)模光強(qiáng)
4.6.2 傳輸功率
習(xí)題
第5章 三維光波導(dǎo)
5.1 三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
5.2 馬卡提里近似法
5.3 場(chǎng)方程與形式解
5.4 模特征方程
5.5 模特征方程
5.6 模式特性
5.6.1 導(dǎo)模條件與模截止
5.6.2 單模傳輸
5.6.3 截止波長(zhǎng)
5.6.4 矩形波導(dǎo)色散曲線與模場(chǎng)分布
5.7 有效折射率法
5.7.1 矩形波導(dǎo)
5.7.2 脊波導(dǎo)
5.7.3 條載波導(dǎo)及四層平板波導(dǎo)
習(xí)題
第6章 光纖模式理論
6.1 光纖的電磁場(chǎng)方程
6.2 階躍光纖電磁場(chǎng)方程的矢量解法
6.2.1 芯區(qū)和包層的電磁場(chǎng)
6.2.2 導(dǎo)模特征方程
6.2.3 導(dǎo)模分類(lèi)
6.2.4 導(dǎo)模截止條件與單模傳輸
6.2.5 模色散曲線
6.2.6 導(dǎo)模電磁場(chǎng)分布
6.3 光纖的線偏振模
6.3.1 場(chǎng)的直角分量與場(chǎng)方程的標(biāo)量解法
6.3.2 線偏振模及簡(jiǎn)并度
6.3.3 LPmn模的矢量模組成
6.3.4 LP模光強(qiáng)和功率
6.3.5 階躍多模光纖的導(dǎo)模數(shù)量
6.4 梯度光纖模場(chǎng)分析
6.4.1 梯度光纖場(chǎng)方程及標(biāo)量解
6.4.2 傳播常數(shù)
6.4.3 模式群和導(dǎo)模數(shù)量
習(xí)題
第7章 電磁場(chǎng)分析的有限元法
7.1 微分方程邊值問(wèn)題
7.1.1 邊值問(wèn)題
7.1.2 Ritz方法
7.1.3 Galerkin方法
7.1.4 本征值方程
7.2 有限元分析
7.2.1 區(qū)域離散和單元?jiǎng)澐?br>7.2.2 線性插值函數(shù)與基函數(shù)
7.2.3 單元方程的擴(kuò)展-全局方程的建立
7.2.4 二階單元與基函數(shù)
7.3 光波導(dǎo)模式問(wèn)題的應(yīng)用舉例
7.3.1 單元大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響
7.3.2 脊波導(dǎo)模場(chǎng)的有限元計(jì)算
7.3.3 偽模
習(xí)題
第8章 模式耦合理論
8.1 模式的正交性與完備性
8.1.1 橫場(chǎng)方程
8.1.2 模式的正交性及歸一化
8.1.3 展開(kāi)式的完備性
8.2 模耦合方程
8.2.1 理想正規(guī)模式展開(kāi)的模耦合方程
8.2.2 本地正規(guī)模式展開(kāi)的模耦合方程
8.3 模耦合方程的微擾解-雙向模耦合
習(xí)題
第9章 無(wú)源光器件
9.1 光纖光柵
9.1.1 光纖光柵耦合方程
9.1.2 光纖光柵傳輸特性
9.1.3 光纖光柵濾波特性
9.2 平面波導(dǎo)光柵
9.3 雙波導(dǎo)定向耦合器
9.4 波分復(fù)用/解復(fù)用器
9.4.1 角色散型
9.4.2 干涉型
9.4.3 F-P腔光濾波型
9.4.4 陣列波導(dǎo)光柵
9.5 光開(kāi)關(guān)
習(xí)題
第10章 光波導(dǎo)放大器
10.1 概述
10.2 鉺離子的光譜特性
10.2.1 Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)
10.2.2 Er3+的光致發(fā)光機(jī)制
10.3 速率方程
10.3.1 光放大原理及光泵浦波長(zhǎng)
10.3.2 鐿-鉺共摻系統(tǒng)的速率方程
10.3.3 鉺離子熒光特性
10.3.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
10.4 光波傳輸方程
10.5 放大器增益特性
習(xí)題
第11章 光子晶體波導(dǎo)
11.1 光子晶體理論
11.1.1 光子晶體結(jié)構(gòu)與兩種晶格
11.1.2 平面波展開(kāi)法
11.1.3 二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)
11.2 光子晶體波導(dǎo)
11.2.1 二維光子晶體波導(dǎo)
11.2.2 二維平板光子晶體波導(dǎo)
習(xí)題
第12章 光波導(dǎo)的制備
12.1 概述
12.2 光纖制造
12.3 薄膜制備
12.3.1 蒸發(fā)法
12.3.2 直流磁控濺射法
12.3.3 中頻、射頻磁控濺射法
12.3.4 脈沖激光沉積法
12.3.5 薄膜制備的化學(xué)方法
12.3.6 薄膜的退火
12.4 薄膜的表征
12.4.1 X射線衍射儀
12.4.2 掃描電鏡
12.4.3 電子探針
12.5 三維光波導(dǎo)的制作
12.5.1 光刻技術(shù)
12.5.2 加工技術(shù)
習(xí)題
附錄A Bessel方程與Bessel函數(shù)
A.1 Bessel方程與Bessel函數(shù)
A.2 各類(lèi)Bessel函數(shù)的漸近展開(kāi)式
A.3 Bessel函數(shù)的遞推關(guān)系
附錄B LPmn模特征方程與其組成的矢量模特征方程的等價(jià)性
附錄C 自伴算符
C.1 二維散度定理
C.2 自伴算符
參考文獻(xiàn)
新書(shū)資訊