《集成光学》

第一章 电磁波的基本性质及其射线描述1

1.1麦克斯韦方程1

目录1

1.2物质方程2

1.3边界条件3

1.4波动方程4

1.5电磁波的能量定律6

1.6相速和群速9

1.7平面波的反射和折射15

1.7.1史奈尔（Snell）定律16

1.7.2菲涅尔（Frensnel）公式17

1.8.1反射光的强度20

1.8全反射20

1.8.2反射光的相位突变21

1.8.3透射光波的性质23

1.9经典色散理论25

1.10射线光学基础29

1.10.1程函方程的推导30

1.10.2本地平面波33

1.10.3射线方程及其应用34

第二章 平面介质波导40

2.1引言40

2.2介质薄膜波导的射线分析42

2.2.1波导模式的基本概念42

2.2.2导模的色散方程44

2.2.3古斯—汉颀（Goos-Hanchen）位移52

2.2.4薄膜波导的有效厚度54

2.3均匀薄膜波导的波动理论56

2.3.1薄膜波导模式的定性讨论56

2.3.2对称薄膜波导60

2.3.3非对称薄膜波导75

2.3.4模式对称性90

2.3.5模式正交性94

2.3.6模展式和归一化97

2.4非均匀薄膜波导101

2.4.1波动方程102

2.4.2平方律波导的模式104

2.4.3核函数111

2.4.4高斯光束在平方律波导内的传播114

2.4.5指数型波导的模式117

2.5条形波导124

2.5.1TE导波模Epqu125

2.5.2TM导波模Epqx132

第三章 耦合模理论和耦台器135

3.1耦合模理论135

3.1.1周期波导的耦合模方程140

3.1.2耦合系数K145

3.1.3耦合模方程的解——两个反向模式的耦合147

3.2.1耦合模方程及其解154

3.2定向耦合器154

3.2.2耦台系数的计算161

3.2.3两个条形波导组成的定向耦合器164

3.3渐变波导167

3.3.1渐变波导连接器167

3.3.2尖劈形薄膜波导耦合器175

3.4棱镜薄膜耦合器177

3.4.1棱镜－薄膜相互耦合的模型179

3.4.2耦合模的理论描述181

3.4.3棱镜薄膜耦合器的基本方程190

3.4.4耦合特性192

3.5光栅耦合器198

第四章 光波导调制器和光开关207

4.1光调制器的基本概念208

4.1.1相位调制210

4.1.2偏振调制和强度调制211

4.1.3调制器的质量指标216

4.2电光效应219

4.3声光效应226

4.4磁光效应231

4.4.1磁畴和磁化231

4.4.2法拉第（Faraday）旋转效应236

4.4.3科顿－穆顿（Cotton-Mouton）效应241

4.5各向异性介质波导的耦合模方程244

4.6光波导相位调制器250

4.6.1工作原理251

4.6.2主要特性252

4.7光波导强度调制器261

4.7.1干涉型强度调制器261

4.7.2截止调制器264

4.7.3电吸收调制器266

4.7.4声光调制器268

4.7.5电光波导布拉格衍射调制器275

4.8模式转换调制器278

4.8.1工作原理278

4.8.2TE←→TM模式转换电光器件282

4.8.3共线模式转换声光器件285

4.8.4TE←→TM模式转换磁光器件286

4.9定向耦合调制器和光开关288

4.10全内反射电光波导开关299

4.11非互易磁光波导器件302

4.11.1非互易模式转换理论303

4.11.2磁光波导隔离器309

4.11.3磁光回转器312

4.11.4磁光环行器313

第五章 集成光学双稳态装置323

5.1光学双稳态装置的基本原理324

5.1.1纯光学色散型324

5.1.2纯光学吸收型329

5.1.3光电混合型334

5.2集成F-P型光学双稳态装置337

5.3定向耦合型光学双稳态装置338

5.4双臂干涉仪型光学双稳态装置341

5.5全内反射调制型光学双稳态装置345

5.6声光互作用光学双稳态装置349

5.7半导体光学双稳态器件351

5.7.1一般本征型351

5.7.2多量子阱结构353

5.7.3半导体激光器的双稳性355

6.1半导体激光器的基本原理361

第六章 半导体激光器361

6.1.1半导体的能带结构和载流子的统计分布362

6.1.2p-n结的能带图370

6.1.3正向偏置下p-n结的能带图372

6.1.4半导体的受激发射条件374

6.1.5阈值条件和阈值电流密度380

6.2F-P型半导体激光器的主要结构384

6.2.1同质结激光器384

6.2.2单异质结激光器386

6.2.3双异质结激光器390

6.2.4大光腔激光器396

6.2.5分别限制异质结激光器397

6.2.6四元系材料的隐埋异质结激光器398

6.3F-P型半导体激光器的输出特性400

6.3.1输出光功率和转换效率400

6.3.2光谱分布404

6.3.3激光模式405

6.4分布反馈激光器411

6.4.1耦合模方程及其解412

6.4.2有源周期波导的振荡和放大作用413

6.4.3振荡条件414

6.4.4阈值增益系数gq416

6.4.5纵模特性419

6.4.6横模特性421

6.4.7半导体异质结DFB实验器件423

6.5分布布拉格反射激光器428

6.5.1原理分析428

6.5.2DBR激光器举例435

6.6集成双波导激光器438

6.7解理耦合腔激光器442

6.7.1单纵模运转的原理442

6.7.2调谐特性444

6.8量子阱异质结激光器446

第七章 光波导探测器459

7.1p-n结光电二极管460

7.1.1反向偏置下p-n结的特性460

7.1.2工作原理465

7.1.3长波极限和量子效率466

7.1.4频率响应469

7.1.5探测灵敏度473

7.2雪崩光电二极管476

7.3肖特基势垒探测器481

7.4集成探测器484

7.4.1混合集成硅探测器484

7.4.2外延型集成探测器485

7.4.3质子轰击型探测器486

7.4.4电吸收光波导探测器490

7.4.5光电导探测器492

8.1.1集成光发射机497

8.1光纤通信用的集成光路497

第八章 集成光路及其应用497

8.1.2集成光接收器503

8.1.3单片集成光中继器506

8.2集成光学在传感技术上的应用508

8.2.1集成光学温度传感器509

8.2.2集成光学微位移传感器和压力传感器510

8.3集成光学频谱分析器512

8.4集成光学模数转换器513

8.5逻辑集成光路518

8.5.1线性波导光学逻辑门519

8.5.2非线性波导光学逻辑门530

9.1集成光学的材料539

第九章 介质波导的制备、测量以及光路集成工艺539

9.2介质波导的制作技术543

9.2.1衬底的制备544

9.2.2溶液淀积法制作有机薄膜波导546

9.2.3利用真空蒸发制备薄膜波导547

9.2.4高频溅射法制备薄膜波导548

9.2.5等离子体聚合波导551

9.2.6离子迁移法553

9.2.7质子交换法555

9.2.8离子注入和质子轰击556

9.2.9扩散波导559

9.3.1折射率测量564

9.3波导参数的测量564

9.3.2波导衰减的测量574

9.3.3波导模式的观察575

9.4光路集成工艺577

9.4.1液相外延578

9.4.2气相外延579

9.4.3分子束外延581

9.4.4金属有机化学气相淀积（MOCVD）583

9.4.5远紫外光刻584

9.4.6电子束曝光和电子束制版585

9.4.7x射线光刻586

9.4.8离子蚀刻技术587