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第1章 介质光波导，电磁场理论与射线光学基础 1

1．1 介质光波导 1

1．2 电磁场基本方程 平面电磁波 3

1．2．1 麦克斯韦方程 物质方程 边界条件 3

1．2．2 电磁场的能量定律 坡印亭矢量 5

1．2．3 电磁场的波动方程 光速 6

1．2．4 时谐平面波 相速 群速 7

1．2．5 横电磁波 横电波 横磁波 9

1．2．6 亥姆霍兹方程 11

1．3 平面电磁波的反射与折射 11

1．3．1 反射定律与折射定律 11

1．3．2 菲涅耳公式 12

1．3．3 布儒斯特定律 布儒斯特角 14

1．3．4 全反射 临界角 全反射时的相移 15

1．3．5 古斯-汉欣位移 16

1．4．1 光的吸收 18

1．4 光的吸收与色散 经典色散理论 18

1．4．2 光的色散 20

1．4．3 经典色散理论 20

1．5 射线光学方法 22

1．5．1 程函方程 23

1．5．2 射线方程 24

1．5．3 用射线方法研究平板波导的导模 26

1．5．4 用射线方法研究非均匀波导的导模 28

1．6 电磁场理论方法 30

1．6．1 TE导模 32

1．6．2 TM导模 34

1．6．3 模的正交性 35

1．7 传播常数的变分原理 36

1．7．1 传播常数的积分表示式与变分原理 36

1．7．2 折射率微小变化引起的传播常数变化 变分原理 37

1．7．3 导模的相速与群速之间的关系式 38

1．8 波导模式的正交性与模式展开 39

参考文献 42

第2章 平板介质波导 44

2．1 阶跃型三层平板波导 44

2．1．1 模式方程 模截止 归一化参量 44

2．1．2 模式方程的解 传播常数的近似公式 47

2．2 渐变折射平板波导 49

2．2．1 平方律（抛射型）分布 50

2．2．2 指数型分布 53

2．2．3 直线型分布 55

2．3 求解渐变折射率波导的近似方法 59

2．3．1 射线方法的应用 59

2．3．2 WKB近似法 63

2．3．3 微扰法 66

2．3．4 变分法 69

2．3．5 多层分割法 71

2．4 多层平板波导 74

2．4．1 四层平板波导 74

2．4．2 五层平板波导 76

2．4．3 “W”型波导 79

2．5 平板波导定向耦合器 80

2．6 渐变波导 83

2．7 分支小导 86

2．8 平板介质波导的散射损耗与吸收损耗 89

2．9 平板介质波导的变曲损耗 91

2．9．1 速度方法 91

2．9．2 直波导等效法 94

参考文献 98

第3章 金属包层平板介质波导 99

3．1 金属的光频特性 99

3．1．1 导电媒质中的电磁波 复电容率 99

3．1．2 金属光频特性的初等电子论 100

3．2 等离子体表面波 102

3．2．1 等离子体表面波的存在条件 102

3．2．2 长程等离子体表面波 105

3．3．1 模式复数本征方程及其解法 107

3．3 非对称金属包层介质波导 107

3．3．2 传播常数与模式特性 109

3．4 金属包层介质波导的色散与损耗：精确微扰分析 111

3．5 对称金属包层介质波导 113

3．6 四层金属包层介质波导 116

3．7 金属包层波导的滤模器、偏振器与方向耦合器 120

3．7．1 金属包层滤模器 120

3．7．2 金属包层波导偏振器 121

3．7．3 金属膜偏振分离定向耦合器 121

参考文献 123

第4章 条形介质波导 124

4．1 马卡梯里近似解法 124

4．2 数值计算解法 129

4．2．1 圆谐函数分析法 129

4．2．2 有限元法 131

4．3 有效折射率法 133

4．3．1 模式分析 134

4．3．2 形波导与条载波导的分析 136

4．3．3 扩散条载波导的分析 138

4．4 微扰法 139

4．5 变分法 145

4．6 加权余量法与迭代矩量法 146

4．6．1 条形介质波导的加权余量法分析 146

4．6．2 迭代矩量法 149

参考文献 152

5．1．1 两个波导导模之间的耦合 153

5．1 耦合波方程 153

第5章 波导耦合原理 153

5．1．2 同方向耦合 155

5．1．3 相反方向耦合 156

5．2 定向耦合器 158

5．2．1 定向耦合的理论分析 158

5．2．2 平板波导定向耦合器 160

5．2．3 矩形波导定向耦合器 162

5．3．1 棱镜耦合器的工作原理 165

5．3 棱镜耦合器 165

5．3．2 棱镜-波导系统的模式本征值方程 167

5．3．3 输出耦合器 170

5．3．4 输入耦合器 171

5．4 光栅耦合器 173

5．5 尖劈形薄膜耦合器 175

参考文献 177

第六章 周期性波导 179

6．1 耦合波方程与周期性波导 179

6．2 矩形皱纹周期性波导 183

6．3 布喇格反射滤波器 186

6．4 分布反馈激光器 189

6．4．1 耦合模方程及其解 190

6．4．2 振荡和放大作用 191

6．4．3 振荡条件与阈值增益系数 191

6．5．1 矩形皱纹周期性波导的等效多层薄膜波导 193

6．5 周期性波导的等效折射率法 193

6．5．2 周期性多层薄膜的分析 194

6．6 一般周期性波导的分布反馈系数 198

6．7 多量子阱波导的传输与色散特性 203

参考文献 207

第7章 光导波的调制 209

7．1 光波调制的基本概念 209

7．1．1 相位调制 209

7．1．3 强度调制 210

7．1．2 偏振调制 210

7．1．4 调制器的质量指标 211

7．2 晶体中的光波 213

7．2．1 晶体的电容率张量 213

7．2．2 晶体中的平面电磁波 215

7．2．3 折射率椭球 218

7．3 晶体的电光效应 221

7．4．1 电光波导相位调制器 225

7．4 电光调制原理 225

7．4．2 电光波导强度调制器与开关 228

7．4．3 定向耦合调制器与光开关 229

7．5 磁光效应 235

7．5．1 法拉第效应 236

7．5．2 科顿-穆顿效应 236

7．5．3 旋光介质的电容率张量与磁光效应 236

7．6 磁光波导器件 240

7．6．1 非互易模式转换理论 240

7．6．2 磁光波导隔离器 243

7．6．3 磁光回转器与磁光环行器 244

7．6．4 TE-TM模式转换磁光器件 244

7．7 声光效应 246

7．8 声光波导调制 248

7．8．1 喇曼-奈斯衍射 249

7．8．2 布喇格衍射 251

参考文献 253

第8章 非线性介质光波导 255

8．1 非线性光学效应 256

8．1．1 二阶非线性光学效应 256

8．1．2 三阶非线性光学效应 258

8．1．3 受激拉曼散射与受激布里渊散射 259

8．2 波导中的二阶非性光学效应 260

8．2．1 耦合波方程 耦合系数 260

8．2．2 和频效应 264

8．2．3 倍频效应一二次谐波发生 265

8．2．4 参量放大与参量振荡 266

8．2．5 非线性光学信息处理 267

8．3 波导中的三阶非线性光学效应 268

8．3．1 依赖于光强的折射率 268

8．3．2 非线性光波导 269

8．4 非线性平板波导的波动理论 271

8．4．1 非线性三层平板波导导模的近似分析法 272

8．4．2 非线性三层平板波导的精确分析 280

8．5 波导的光学双稳态器件 284

8．5．1 纯光色散型光学双稳器件 285

8．5．2 纯光学吸收型光学双稳器件 288

8．5．3 光电混合型光学双稳装置 289

参考文献 292

第9章 圆光波导 295

9．1 光导纤维（光纤） 295

9．2 均匀折射率光纤的光线理论分析 297

9．2．1 光纤中的光线种类 298

9．2．2 数值孔径 298

9．2．3 子午光线的色散 时延差 299

9．2．4 焦散面 偏射线 300

9．2．5 模式的本征方程 302

9．3 均匀折射率光纤的波动理论 304

9．3．1 亥姆霍兹方程 电磁场的纵向分量 304

9．3．2 麦克斯韦方程和电磁场横向分量 307

9．3．3 模式本征方程（特征方程） 308

9．3．4 阶跃型折射率光纤中的各类模式 309

9．3．5 各类模式的截止条件 模色散曲线 309

9．4 弱导光纤 313

9．4．1 弱导光纤中的模式本征方程与场分布 313

9．4．2 LP模（线偏振模） 318

9．5 渐变折射率光纤的光线理论分析 321

9．5．1 平方律光纤 自聚焦光纤 321

9．5．2 自聚焦光纤棒的成像原理与应用简介 324

9．6 渐变折射率光纤的波动理论 327

9．6．1 平方律圆光波导的解析解 327

9．7 渐变折射率光纤的近似分析 330

9．7．1 WKB近似法 331

9．7．2 变分法求传播常数 高斯近似法 等效阶跃折射率光纤法 333

9．7．3 级数解法 337

9．8 光纤的损耗 338

9．8．2 散射损耗 339

9．9 光纤的色散 339

9．8．1 吸收损耗 339

9．9．1 光纤色散的种类 340

9．9．2 波导色散 341

9．9．3 多模色散 342

9．9．4 材料色散 343

参考文献 343

第10章 非圆光波导 双折射光纤 345

10．1 非圆光波导与双折射 345

10．1．1 单模光折的双折射性质 345

10．1．2 双折射光纤 348

10．2 非圆光波导的近似分析 351

10．2．1 微扰法的具体应用 351

10．2．2 等效光波导的概念与微扰修正 352

10．2．3 随圆芯阶跃光纤 354

10．2．4 平方律椭圆光波导 355

10．3．1 偏振态的描述 琼斯矢量 358

10．3 偏振态 偏振态在光纤中的演化 358

10．3．2 偏振的合成与分解 362

10．3．3 琼斯矩阵与偏振态的演化 363

10．3．4 线双折射和圆双折射的成因和特性 366

10．3．5 线双折射和圆双折射光纤的琼斯矩阵 371

10．3．6 邦加球法与偏振态演化的表示 377

参考文献 386

11．1 非正规光波导的耦合波方程 387

第11章 光纤的耦合 非正规光波导 387

11．2 弱导缓变光波导的模式耦合 390

11．3 非正规光波导 392

11．4 光纤光栅 393

11．4．1 均匀周期正弦型光纤光栅 393

11．4．2 非均匀周期光纤光栅 396

11．5 光纤的对接 突变光波导 397

11．6 正规光波导的横向耦合方程 400

11．6．1 模式耦合方程 400

11．6．2 耦合波的特性 405

11．7 光纤耦合器与光纤滤波器 407

11．7．1 光纤定向耦合器 407

11．7．2 光纤滤波器 408

11．8 光纤激光器与光纤放大器 410

参考文献 412

第12章 光纤中的非线性效应 光孤子 413

12．1 光纤中的非线性效应 413

12．1．1 光纤中的非线性转换效率 413

12．1．2 光纤中的克尔效应 414

12．1．3 光纤中的自相位调制和方波自成形 415

12．1．4 光脉冲在光纤中的压缩 417

12．2 孤子 418

12．2．1 KdV方程 钟型孤立波 419

12．2．2 单孤子解和双孤子解 420

12．3 包络型孤子 非线性薛定谔方程 422

12．4 亮光孤子与暗光孤子 424

12．5 光脉冲的传播方程 427

12．6．1 群速度色散引起的脉冲展宽 430

12．6 色散与非线性效应对脉冲传播的影响 430

12．6．2 非线性效应对脉冲传播的影响 431

12．6．3 群速度色散效应与自相位调制效应的平衡——光孤子的形成 432

12．7 光孤子通信简介 433

参考文献 435

数学附录 436

A1 直角坐标系 圆柱坐标系 球坐标系 436

A3 矢量代数运算 437

A2 复数表示法 437

A4 矩阵与矩阵乘法 矩阵的本征值问题 438

A5 矢量微分算符 440

A6 双曲函数 443

A7 伽马函数（F函数） 444

A8 贝塞耳函数（Bessel函数） 444

A9 爱里函数（Airy函数） 448

A10 雅可比椭圆函数（Jacobi椭圆函数） 453