导波光学（第2版）

前言
光信息科学与技术是当今活跃的科技领域之一。如果说20世纪是电子时代，那么21世纪将是光子时代。与电子信息技术相比，光信息技术已经在信息检测、信息传输与信息显示等领域占据上风。在信息处理和信息存储方面，虽然光还不及电，但随着各种新型光电子集成器件的不断出现，光信息技术发展势头迅猛，大有与电子信息技术并驾齐驱之势。
光信息的传输是光信息科学与技术的一个重要分支，它的基础是各种介质光波导。研究光在介质波导中传输的基础理论的学科分支就是导波光学。导波光学的发展与其他相关学科（如光纤通信、光纤传感、全光信号处理、激光技术等）的发展是相辅相成、相互促进的。导波光学为这些学科的发展奠定了理论基础，而后者的发展又在不断丰富和完善导波光学的内容。因此，学习导波光学的理论，对于全面掌握光信息科学与技术是至关重要的。
本书系统地讲述了光波导的基本概念和基本理论。第1章是绪论，第2章是其他各章的理论基础，重点讲述了介质光波导的电磁波理论、射线光学理论和模式的概念。第3~6章分别讨论了平面光波导、金属包层平板介质波导、矩形介质波导和圆光波导中光的传播特性。第7章讲述了光波导的横向耦合，包括横向模耦合和光束耦合。第8章讲述了光在非正规光波导中的耦合理论，重点讨论了光纤光栅和光纤对接问题。第9章介绍了近年来迅速发展的集成光子器件中出现的三种典型波导结构——Y分支波导、多模干涉耦合器和微环谐振器的原理和应用。
本书十分注重与先修课程和后续课程的衔接，力求做到通俗易懂。本书可以作为光信息科学与技术及相关专业学生的教材或参考教材，也可作为从事相关领域的科学技术人员的参考用书。
本书是在2010年《导波光学》（清华大学出版社）的基础上修订而成，在修订时，吸取了北京交通大学光信息科学与技术专业同学们提供的宝贵意见，也吸收了吴重庆教授的有益建议，在这里谨向他们表示衷心的感谢。
限于编者水平，书中不妥之处在所难免，希望读者指正。

编者2019年4月

本书以经典电磁波理论和近代光学理论为基础，系统论述了光波导的基本概念、基本理论和各种典型的分析方法，全面讲述了平面光波导、金属包层平板介质波导、矩形介质波导和圆光波导的基本原理。在此基础上，对光波导的横向耦合、纵向耦合以及新型波导结构的原理和应用进行了讨论。 本书适合作为光电信息科学与工程、应用物理等专业的教材，也可作为从事光信息及相关领域的科学技术人员的参考用书。

王健 博士，北京交通大学理学院教授。多年来一直从事光波导理论、光纤传感和全光信号处理的教学和研究工作，曾获得北京交通大学“我敬爱的老师”荣誉称号，先后主持和参与多项和省部科研项目，在国内外学术期刊发表论文逾40篇，其中SCI和EI收录30余篇。

第1章绪论

第2章导波光学的理论基础

2.1电磁场的基本方程

2.1.1麦克斯韦方程组、物质方程、边值关系

2.1.2亥姆霍兹方程

2.1.3正规光波导中模式场的亥姆霍兹方程及模式的概念

2.1.4电磁场和模式场的横向分量与纵向分量的关系

2.1.5模式的正交性与模式展开

2.2光线在介质中的传播特性

2.2.1反射定律、折射定律与全反射

2.2.2古斯汉欣（GoosHaerchen）位移

2.2.3射线光学基础

习题

第3章平面光波导

3.1三层均匀平面波导的射线分析法

3.2三层均匀平面波导的电磁场分析法

3.2.1一般平面波导中模式的种类

3.2.2三层均匀平面波导中模式场的场分布与本征值方程

3.2.3模截止及波导中的传输模式数

3.2.4归一化参量

3.3非均匀平面波导的射线分析法

3.3.1光线在非均匀平面波导中的轨迹

3.3.2非均匀平面波导中的本征值方程

3.4平方律分布渐变型折射率平板波导

3.4.1TE导模

3.4.2TM导模

3.5WKB近似法

3.6变分法

3.6.1传播常数的积分表达式和变分法

3.6.2变分法的应用

3.7有限元法简介

3.7.1基于变分思想的有限元法

3.7.2基于加权余量法思想的有限元法

3.8多层分割法

习题

第4章金属包层平板介质波导

4.1金属的光频特性

4.1.1金属中的亥姆霍兹方程和复相对电容率

4.1.2金属光频特性的初等电子论

4.2等离子体表面波(SPW)

4.2.1介质与金属分界面上的等离子体表面波

4.2.2长程等离子体表面波

4.3非对称金属包层介质波导

4.3.1模式的本征方程

4.3.2传播常数与模式特性

4.4对称金属包层介质波导

习题

第5章矩形介质波导

5.1马卡梯里近似解法

5.1.1马卡梯里近似

5.1.2矩形波导中导模的场分布及其本征值方程

5.1.3传播常数和模场场分布的计算实例

5.1.4求解本征值（传播常数）的近似公式

5.2有效折射率法

5.3微扰法

5.4变分法

习题

第6章圆光波导

6.1阶跃光纤的射线分析法

6.1.1光纤中的光线种类

6.1.2数值孔径

6.1.3子午光线的色散和时延差

6.2二层阶跃光纤矢量模的分析方法

6.2.1矢量模的分析方法

6.2.2矢量模模式场各分量的解

6.2.3特征方程

6.2.4对特征方程的讨论

6.3二层阶跃光纤标量模的分析方法

6.3.1标量模的分析方法

6.3.2标量模的场分布

6.3.3特征方程

6.3.4截止条件

6.3.5远离截止的条件

6.3.6矢量模与标量之间的关系

6.4渐变折射率光纤的分析——高斯近似法

6.5光纤的传输特性——色散

6.5.1基本传输方程

6.5.2群时延

6.5.3脉冲展宽

6.5.4色散

6.5.5二层阶跃光纤的色散

6.6光纤的损耗

6.6.1吸收损耗

6.6.2散射损耗

6.6.3弯曲损耗

习题

第7章光波导的横向耦合

7.1光波导的横向模耦合

7.1.1模耦合方程

7.1.2模耦合方程的解

7.2平板定向耦合器

7.3棱镜耦合器

7.3.1棱镜耦合器的工作原理

7.3.2输出耦合器

7.3.3输入耦合器

习题

第8章非正规光波导

8.1概述

8.2非正规光波导的模耦合方程

8.2.1耦合方程的一般形式

8.2.2弱导情况下耦合方程的形式

8.2.3考虑正、反向模情况下耦合方程的形式

8.3光纤光栅

8.4光纤的对接——突变光波导

习题

第9章新型波导结构

9.1Y分支波导

9.2多模干涉耦合器

9.3微环谐振器

9.3.1微环谐振器结构

9.3.2微环谐振器参数

9.3.3微环谐振器频谱响应

9.3.4微环谐振器的应用

附录Ⅰ模式场的纵向分量与横向分量之间关系的推导

附录Ⅱ古斯汉欣位移的推导

附录Ⅲ平面波导传播常数和场分布的计算程序

附录Ⅳ矩形波导中的导模模式

附录Ⅴ矩形波导传播常数和场分布的计算程序

附录Ⅵ脉冲信号基本传输方程的推导

参考文献

本书以经典电磁波理论和近代光学理论为基础，系统论述了光波导的基本概念、基本理论和各种典型的分析方法，全面讲述了平面光波导、金属包层平板介质波导、矩形介质波导和圆光波导的基本原理。在此基础上，对光波导的横向耦合、纵向耦合以及新型波导结构的原理和应用进行了讨论。 本书适合作为光电信息科学与工程、应用物理等专业的教材，也可作为从事光信息及相关领域的科学技术人员的参考用书。

王健 博士，北京交通大学理学院教授。多年来一直从事光波导理论、光纤传感和全光信号处理的教学和研究工作，曾获得北京交通大学“我敬爱的老师”荣誉称号，先后主持和参与多项和省部科研项目，在国内外学术期刊发表论文逾40篇，其中SCI和EI收录30余篇。

我国电子信息产业销售收入总规模在2013年已经突破12万亿元，行业收入占工业总体比重已经超过9%。电子信息产业在工业经济中的支撑作用凸显，更加促进了信息化和工业化的高层次深度融合。随着移动互联网、云计算、物联网、大数据和石墨烯等新兴产业的爆发式增长，电子信息产业的发展呈现了新的特点，电子信息产业的人才培养面临着新的挑战。
　　（1） 随着控制、通信、人机交互和网络互联等新兴电子信息技术的不断发展，传统工业设备融合了大量*的电子信息技术，它们一起构成了庞大而复杂的系统，派生出大量新兴的电子信息技术应用需求。这些“系统级”的应用需求，迫切要求具有系统级设计能力的电子信息技术人才。
　　（2） 电子信息系统设备的功能越来越复杂，系统的集成度越来越高。因此，要求未来的设计者应该具备更扎实的理论基础知识和更宽广的专业视野。未来电子信息系统的设计越来越要求软件和硬件的协同规划、协同设计和协同调试。 
　　（3） 新兴电子信息技术的发展依赖于半导体产业的不断推动，半导体厂商为设计者提供了越来越丰富的生态资源，系统集成厂商的全方位配合又加速了这种生态资源的进一步完善。半导体厂商和系统集成厂商所建立的这种生态系统，为未来的设计者提供了更加便捷却又必须依赖的设计资源。
　　*2012年颁布了新版《高等学校本科专业目录》，将电子信息类专业进行了整合，为各高校建立系统化的人才培养体系，培养具有扎实理论基础和宽广专业技能的、兼顾“基础”和“系统”的高层次电子信息人才给出了指引。
     传统的电子信息学科专业课程体系呈现“自底向上”的特点，这种课程体系偏重对底层元器件的分析与设计，较少涉及系统级的集成与设计。近年来，国内很多高校对电子信息类专业课程体系进行了大力度的改革，这些改革顺应时代潮流，从系统集成的角度，更加科学合理地构建了课程体系。
     为了进一步提高普通高校电子信息类专业教育与教学质量，贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《*关于全面提高高等教育质量若干意见》（教高【2012】4号）的精神，*高等学校电子信息类专业教学指导委员会开展了“高等学校电子信息类专业课程体系”的立项研究工作，并于2014年5月启动了《高等学校电子信息类专业系列教材》（*高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材）的建设工作。其目的是为推进高等教育内涵式发展，提高教学水平，满足高等学校对电子信息类专业人才培养、教学改革与课程改革的需要。 
　　本系列教材定位于高等学校电子信息类专业的专业课程，适用于电子信息类的电子信息工程、电子科学与技术、通信工程、微电子科学与工程、光电信息科学与工程、信息工程及其相近专业。经过编审委员会与众多高校多次沟通，初步拟定分批次（2014—2017年）建设约100门课程教材。本系列教材将力求在保证基础的前提下，突出技术的先进性和科学的前沿性，体现创新教学和工程实践教学； 将重视系统集成思想在教学中的体现，鼓励推陈出新，采用“自顶向下”的方法编写教材； 将注重反映优秀的教学改革成果，推广优秀的教学经验与理念。
　　为了保证本系列教材的科学性、系统性及编写质量，本系列教材设立顾问委员会及编审委员会。顾问委员会由教指委高级顾问、特约高级顾问和*教学名师担任，编审委员会由*高等学校电子信息类专业教学指导委员会委员和一线教学名师组成。同时，清华大学出版社为本系列教材配置优秀的编辑团队，力求高水准出版。本系列教材的建设，不仅有众多高校教师参与，也有大量知名的电子信息类企业支持。在此，谨向参与本系列教材策划、组织、编写与出版的广大教师、企业代表及出版人员致以诚挚的感谢，并殷切希望本系列教材在我国高等学校电子信息类专业人才培养与课程体系建设中发挥切实的作用。
　　
吕志伟 教授