《光波导技术基本理论》

第一章波动及射线理论基础1

1 马氏方程式1

2 波动方程6

3 Helmholtz方程10

3-1 标量近似解11

3-2 矢量解13

4 平面波的一般特性14

5 平面波的传输——传输线模拟21

6 平面波的反射与折射25

6-1 Snell定律26

6-2 反射与传递(或折射)-Frensnel公式28

6-3 全反射的相移30

7 平面波和表面波、辐射波31

8 射线光学基础-eikonal方程35

8-1 eikonal方程36

8-2 本地平面波39

9 射线方程及简单应用41

9-1 方程推导41

9-2 简单举例42

9-3 射线集(或光束)及焦散面定义45

附录Ⅰ47

第二章介质薄膜波导52

1 薄膜波导的一般分析——射线法53

2 导波分析——射线法57

2-1 导波特点及色散方程58

2-2 截止条件、单模传输、模式数量62

3 泄漏波65

3-1 非均匀平面波65

3-2 非均匀平面波的反射与传输67

3-3 泄漏波特点68

4 Goos-Hanchen位移与有效厚度69

5 薄膜波导的导波——波动理论分析法72

5-1 TE正规模75

5-2 TM正规模79

5-3 正规模的对称性80

6 薄膜波导的辐射模、消失模及泄漏模——波动理论分析法85

6-1 TE辐射模85

6-2 TE泄漏模87

6-3 TE消失波89

7 折射率渐变的对称薄膜波导91

7-1 抛物形剖面92

7-2 指数形剖面94

8 薄膜波导衰减简述97

附录Ⅱ101

第三章介质带状波导111

1 带状波导正规模近似分析113

1-1 近似方法113

1-2 E？模式分析116

1-3 E？正规模分析结果的讨论120

1-4 E？正规模123

2 矩形介质波导——圆谐函数分析法125

2-1 公式推导126

2-2 边界匹配129

2-3 场型133

2-4 传输曲线135

3 带状波导的弯曲138

3-1 波导弯曲及坐标139

3-2 E？电磁场的表达方法140

3-3 边界匹配及色散方程142

3-4 公式推导结果146

3-5 E？衰减曲线说明149

3-6 α/R大时的计算公式151

3-7 结果分析与结论153

附录Ⅲ156

第四章光纤165

1 阶梯折射率光纤的分析——射线法168

1-1 子午线及数字孔径168

1-2 子午线及色散171

1-3 偏射线173

2 阶梯折射率光纤——标量近似分析法175

2-1 横向电场近似解177

2-2 特征方程或色散方程179

2-3 截止条件和波型分类181

2-4 各标量模的功率187

3-1 本地平面波——射线190

3 阶梯折射率光纤里正规模分析——射线分析法190

3-2 正规模的色散方程193

3-3 几种特殊情况-Whispering-Gallery模式197

3-4 传输模式的数量M198

4 阶梯折射率光纤的严格解——矢量场解199

4-1 Helmholtz方程和EZ，HZ200

4-2 马氏方程及其它分量解203

4-3 边界条件及特征方程204

4-4 截止条件和各种波型208

4-5 场型图216

4-6 远离截止时的情况219

5 渐变折射率光纤——射线分析220

5-1 在圆柱座标系里的射线方程223

5-2 射线方程的解225

5-3 子午线227

5-4 偏射线和螺旋线231

6 渐变折射率光纤的近似分析——WKBJ法235

6-1 用WKBJ法分析均匀波导和薄膜波导236

6-2 用WKBJ法分析非均匀波导237

6-3 能传输的波数量M(β)有多少？241

6-4 模式群和它们的传输系数βρ245

6-5 数字孔径和功率分布248

7 光纤的衰减250

7-1 物质的吸收损耗251

7-2 物质的散射损耗254

7-3 波导散射256

7-4 光纤弯曲产生的辐射257

7-5 外套损耗259

8 光纤色散——脉冲展宽263

8-1 材料色散265

8-2 单模传输时的色散268

8-3 什么是脉冲响应宽度均方根值？271

8-4 多模传输时脉冲响应展宽均方根值的普遍表示式276

9 渐变折射率光纤的色散——折射率剖面的设计283

9-1 渐变折射率光纤各模式群的群时延283

9-2 脉冲响应展宽均方根值和α的选择286

9-3 其它291

附录Ⅳ296

第五章横向耦合元件分析理论320

1 介质光波导耦合波方程321

2 耦合波基本特性330

3 光波导耦合系数337

3-1 耦合系数的面积分形式338

3-2 用极化电流概念推导耦合系数公式341

4 耦合系数的计算举例345

4-1 薄膜波导耦合系数计算345

4-2 光纤波导耦合系数计算348

5 场型分析求解耦合系数355

5-1 耦合结构带状波导E？模式分析358

5-2 kZ与Δβ值的计算364

6 变分法的应用365

6-1 传播常数的变分表示式365

6-2 耦合系统解答370

7 梯度变化横向耦合器374

附录Ⅴ380

第六章光束耦合基本理论386

1 用射线法分析直接轴向耦合387

1-1 发光面与接收面之间功率传输387

1-2 光纤轴向耦合的计算388

2 用模式分析法分析直接轴向耦合391

2-1 Born近似计算391

2-2 模式分析计算法400

3 薄膜光波导棱镜耦合的分析410

3-1 棱镜耦合系统410

3-2 棱镜耦合的分析计算413

4-1 耦合模式之闻的基本关系式425

4 栅状结构耦合器原理425

4-2 矩形栅状耦合结构的分析429

4-3 输入耦合效率的分析438

第七章光频调制器444

1 电光晶体特性445

1-1 介质介电常数张量特性445

1-2 平面波在各向异性介质中的传播特性452

1-3 几何图形法457

1-4 电光效应459

1-5 电场作用下晶体主轴座标变换计算举例462

1-6 电光晶体调制的举例466

2 声光晶体特性475

2-1 声波光波效应475

2-2 声光Bragg衍射作用的分析480

3 光波导方向耦合调制器488

3-1 光波导方向耦合调制器一般概念489

3-2 等效折射率法493

3-3 带状波导方向耦合调制器设计计算举例494

4 耦合模波导调制器原理502

4-1 耦合模波导调制基本方程503

4-2 薄膜波导模式耦合调制设计计算举例506

5 耦合模电光晶体波导调制器的分析512

5-1 考虑旁频的模式耦合方程513

5-2 双模式耦合方程518

5-3 薄膜波导TE-TE模式调制522

5-4 薄膜波导TM-TM与TE-TM模式调制525

5-5 调制器的计算528

6 声波光波波导调制分析基本理论531

6-1 声波光波薄膜波导调制方程532

6-2 Green函数法535

6-3 功率平衡法538

附录Ⅶ542