【现货速发】光波导理论

距第2版的发行，匆匆已过十余年。在这十年中，光纤通信、光纤传感以及激光技术都在飞速发展，光波导的一些新概念、新结构、新原理、新方法纷纷涌现，如自由空间的异形波传播、四元数偏振光学、周期结构光波导（俗称光子晶体和光子晶体光纤）、保椭圆光纤、光纤应力下的双折射、电光效应、磁光效应等双折射效应、少模光纤、各向异性光波导、表面等离子波、亚波长光纤以及硅基波导，等等。在光的使用波段上，也大为拓展，如太赫兹波、紫外光波等。光波导不仅作为一种传输介质，比如光纤通信用的光纤，而且作为一种感知环境变化的传感元件，如光纤传感器，更多的是作为光信号处理器件，如光调制器等。作为它们共同的理论基础——光波导理论必须顺应这种发展潮流，将这些新理论、新原理加以系统化，充实到原有理论体系之中。同时，对于理论发展过程中的模糊概念也有必要清理和规范化。

另一方面，在吸纳这些新成果的同时，更新后的光波导理论仍然需要坚守理论自身的逻辑性，强调以光波导的结构演变为主线，坚持对于不同结构光波导理论的系统性，坚持研究突出不同概念、特性及相互联系。作为一种基础理论，光波导理论不应该被应用场合、制造工艺所左右。比如，光波导理论并没有限定使用波长，只要满足麦克斯韦方程规定的约束条件，都是正确的，所以，从理论上说，并不区分可见光波导、红外波导、紫外波导以及太赫兹波导等； 再如，所谓少模光纤，亚波长光纤等，都仅仅是模式理论的一种特殊应用而已，尽管在实际的具体运用中，它们之间的区别还是很大的，然而在理论上却没有本质的不同。因此，它们都没有必要单独列出，只是在涉及这种应用状态时，增加了相关的内容。

第3版仍然特别加强了光波导的模式理论、传输特性、双折射现象和模式耦合等基本概念的讲述。与第2版相比，增加了复矢量光波、四元数偏振光学、多层平面光波导、矩形波导、周期结构圆光波导（光子晶体光纤）、渐变折射率平面光波导、波导光栅、高双折射光纤、各向异性光波导、各种感应双折射效应（弹光、电光、磁光等）、光纤的出射光场以及与自聚焦透镜的耦合等前沿问题的章节，而且从频域与时域两个方面进行阐述。

全书思路清晰，知识体系更加完备，注重讲述不同类波导的独特分析方法。鉴于光波导理论的公式繁多，给读者阅读带来不便，本书特别加强了文字与附图的表述，使公式“活”起来。同时采用更高等的数学工具（第12章），使概念一目了然。希望读者能够借助这些数学工具，更深刻地理解相关的物理概念与解决问题的思路。最后，本书还密切结合光纤通信、光纤传感以及激光技术的最新发展，供研究生及从事光纤通信、光纤传感以及激光技术中波导设计的人员参考。

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作者
2021年2月

随着光纤通信、光纤传感以及光无源器件和有源器件的飞速发展，作为它们共同的理论基础——光波导理论出现了一系列新的突破，将这些新理论、新原理加以系统化，充实到原有理论体系之中，是当前的一个紧迫问题。本书改变了以往光纤理论的单模光纤、多模光纤的程式，以光波导的结构演变为主线，强调理论自身的逻辑性，系统地研究了不同结构光波导的不同概念、特性及相互联系 ，特别加强了光波导的模式理论、传输特性、双折射现象和模式耦合知识。全书思路清晰，知识结构完整，注重讲述不同类波导的独特分析方法，密切结合光纤通信的**发展。

吴重庆教授，男， 博士生导师，北京交通大学光信息科学与技术研究所所长。从事导波光学、非线性光纤光学、光纤通信、光纤传感、光网络、全光信号处理等方面的科研与教学工作近40余年，主持国家863项目、国家自然基金项目，共发表论文420余篇。获国家发明专利授权23项。获部级科技进步三等奖1项（排名第1）。

第1章光波的一般理论

1.1光场

1.1.1光场的频域描述

1.1.2频域麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程

1.1.3时域复振幅与复矢量的概念

1.1.4时域麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程

1.2光波

1.2.1光波的概念——频域描述

1.2.2光波的概念——时域描述

1.2.3光波纵向分量与横向分量的关系

1.2.4光线的概念

第1章小结

第1章思考题

第2章正规光波导

2.1正规光波导的模式

2.1.1模式的概念

2.1.2模式场的纵向分量与横向分量的关系

2.1.3模式的分类

2.1.4正向模与反向模的关系

2.1.5模式的正交性

2.2传输常数的积分表达式

2.3偏振问题——四元数方法

2.3.1引言

2.3.2偏振态描述的一般方法

2.3.3偏振态描述的四元数方法

第2章小结

第2章思考题

第3章均匀光波导

3.1概述

3.2阶跃平面光波导

3.2.1模式场

3.2.2特征方程

3.2.3截止条件，单模传输及远离截止频率的情形

3.3多层平面光波导

3.3.1一般概念

3.3.2转移矩阵法

3.3.3多层对称平面光波导

3.4矩形光波导

3.4.1马卡梯里近似解法

3.4.2有效折射率法

3.4.3微扰法

3.5圆均匀光波导

3.5.1圆均匀光波导概述

3.5.2线偏振模与标量法

3.6二层圆均匀光波导(阶跃光纤)

3.6.1二层圆均匀光波导概述

3.6.2矢量法

3.6.3标量法

3.7多层圆均匀光波导

3.7.1矢量法

3.7.2标量法

3.7.3三层圆光波导

第3章小结

第3章思考题

第4章正规光波导的传输特性

4.1概述

4.2群时延

4.3脉冲展宽与色散

4.3.1高斯脉冲展宽

4.3.2群相移

4.3.3输入非归零码的情形

4.3.4更一般的脉冲展宽的概念

4.3.5色散的定量描述

4.3.6色散对于传输系统速率的限制

4.4高阶色散与基本传输方程

4.5二层圆光波导的传输特性(单模光纤的传输特性)

4.6多层圆均匀光波导的传输特性

4.6.1基于归一化传输常数b的分析方法

4.6.2基于矢量法的分析方法

第4章小结

第4章思考题

第5章非均匀光波导

5.1概述

5.2渐变折射率平面光波导

5.2.1非均匀平面波导的射线分析法

5.2.2渐变型折射率平面光波导的模式分析法

5.3非均匀平面光波导的近似解法

5.3.1WKB近似法

5.3.2变分法

5.3.3多层分割法

5.4平方律圆光波导

5.4.1射线法

5.4.2非均匀圆光波导的模式解法

5.4.3直角坐标系法

5.4.4柱坐标系法

5.5非均匀圆波导的近似解法

5.5.1高斯近似法

5.5.2级数解法

5.5.3伽辽金方法(变分法)

5.5.4少模与多模光纤的模式问题

第5章小结

第5章思考题

第6章非正规光波导

6.1概述

6.2正规光波导的辐射模与空间过渡态

6.3纵向模耦合方程

6.3.1弱导缓变光波导的模式耦合

6.3.2矢量模耦合方程

6.4光波导光栅

6.4.1均匀光栅的一般原理

6.4.2光纤光栅

6.5突变光波导

6.5.1光纤对接

6.5.2光纤的出射光场

6.5.3光纤与自聚焦透镜的耦合

第6章小结

第6章思考题

第7章非圆光波导

7.1非圆光波导与双折射

7.1.1非圆光波导的概念

7.1.2双折射现象

7.2非圆均匀光波导

7.2.1一般解法(微扰法)

7.2.2二层非圆光波导

7.2.3椭圆芯阶跃光纤

7.2.4非圆非均匀光波导

7.3偏振态演化的概念

7.3.1概述

7.3.2无损光波导的传输矩阵

7.3.3缪勒矩阵

7.3.4偏振主轴

7.3.5双折射分析的四元数方法

7.4任意坐标系下非圆正规光波导的一般解

7.5非圆非正规光波导中偏振态的演化

7.5.1偏振模耦合

7.5.2非圆非正规光波导的偏振特性

7.6偏振模色散

7.6.1偏振模色散的概念

7.6.2偏振模色散对光信号脉冲波形的影响

7.7高双折射光纤(保偏光纤)

7.7.1消光比与串音

7.7.2保偏光纤稳定输出偏振态的原理

7.7.3线偏振态保持光纤和椭圆偏振态保持光纤

第7章小结

第7章思考题

第8章微结构圆光波导

8.1微结构圆光波导的概念

8.2内全反射型微结构圆光波导

8.2.1模式场和它满足的方程

8.2.2圆对称化

8.2.3其他方法简介

8.3带隙光纤

8.3.1概述

8.3.2空间周期性函数的频域展开

8.3.3本征值方程

8.3.4二值二维空间周期函数的频谱

第8章小结

第8章思考题

第9章各向异性光波导

9.1各向异性光波导的概念

9.1.1材料的各向异性

9.1.2光在均匀各向异性材料中的传播

9.1.3光从各向同性介质入射到各向异性介质时界面上的
双折射

9.2应力双折射

9.2.1本征双折射与感应双折射的概念

9.2.2弹光效应与应力双折射

9.2.3应力型保偏光纤外应力作用下的偏振性能

9.2.4利用四元数方法分析多重双折射问题

9.3电光效应双折射

9.3.1介质的电光效应

9.3.2各向同性介质的电光效应

9.3.3各向异性介质的电光效应

9.4旋光性和磁光效应

9.4.1旋光性

9.4.2磁光效应

9.4.3隔离器与环行器

第9章小结

第9章思考题

第10章光波导间的横向耦合

10.1正规光波导的横向模式耦合

10.1.1横向模耦合方程

10.1.2耦合波的特性

10.1.3用极化电流概念推导模耦合系数

10.1.4两正圆光纤的横向耦合

10.2缓变非正规型横向耦合

10.3光纤耦合器

10.3.12×2光纤耦合器

10.3.23×3光纤耦合器

10.4光纤干涉仪

10.4.1光纤马赫曾德尔干涉仪

10.4.2光纤迈克耳孙干涉仪和斐索干涉仪

10.4.3无源光纤环

10.4.4太赫兹光学非对称解复用器

10.4.5附录： 反演矩阵与法拉第旋镜

10.5基于3×3耦合器的干涉仪

10.5.1光纤环形谐振腔——频域

10.5.23×3耦合器干涉仪的时域应用

第10章小结

第10章思考题

第11章光波导的损耗与增益

11.1光波导损耗的一般概念

11.1.1无限大均匀介质的损耗

11.1.2光波导的波导损耗

11.2光纤的传输损耗

11.2.1石英光纤的材料损耗

11.2.2光纤的波导损耗

11.3光纤损耗的测量与光时域反射技术

第11章小结

第11章思考题

第12章相关数学公式

12.1复矢量

12.2四元数代数

第13章总结与汇总表

13.1总结

13.2各类光波导汇总表

参考文献

随着光纤通信、光纤传感以及光无源器件和有源器件的飞速发展，作为它们共同的理论基础——光波导理论出现了一系列新的突破，将这些新理论、新原理加以系统化，充实到原有理论体系之中，是当前的一个紧迫问题。本书改变了以往光纤理论的单模光纤、多模光纤的程式，以光波导的结构演变为主线，强调理论自身的逻辑性，系统地研究了不同结构光波导的不同概念、特性及相互联系 ，特别加强了光波导的模式理论、传输特性、双折射现象和模式耦合知识。全书思路清晰，知识结构完整，注重讲述不同类波导的独特分析方法，密切结合光纤通信的**发展。

吴重庆教授，男， 博士生导师，北京交通大学光信息科学与技术研究所所长。从事导波光学、非线性光纤光学、光纤通信、光纤传感、光网络、全光信号处理等方面的科研与教学工作近40余年，主持国家863项目、国家自然基金项目，共发表论文420余篇。获国家发明专利授权23项。获部级科技进步三等奖1项（排名第1）。