導(dǎo)波光學(xué)

前言

　　光信息科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今最活躍的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一，也是最活躍的信息技術(shù)領(lǐng)域之一。如果說20世紀(jì)是電子時(shí)代，那么21世紀(jì)將是光子時(shí)代。與電子技術(shù)相I；t，光信息技術(shù)已經(jīng)在信息檢測、信息傳輸與信息顯示等領(lǐng)域占據(jù)上風(fēng)。在信息處理和信息存儲方面，雖然光還不及電，但隨著最新物理原理的引入，如量子光學(xué)、慢光以及T赫茲波等，光信息技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，大有與電技術(shù)并駕齊驅(qū)之勢?！　」庑畔⒌膫鬏斒枪庑畔⒖茖W(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要分支，它的基礎(chǔ)是各種介質(zhì)光波導(dǎo)。研究光在介質(zhì)光波導(dǎo)中傳輸?shù)幕A(chǔ)理論的學(xué)科分支就是導(dǎo)波光學(xué)。導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展與其他相關(guān)學(xué)科（如光纖通信、光纖傳感、全光信號處理、激光技術(shù)等）的發(fā)展是相輔相成、相互促進(jìn)的。導(dǎo)波光學(xué)為這些學(xué)科的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，而后者的發(fā)展又在不斷豐富和完善導(dǎo)波光學(xué)的內(nèi)容。因此，學(xué)習(xí)導(dǎo)波光學(xué)的理論，對于全面掌握光信息科學(xué)與技術(shù)是至關(guān)重要的?！　”緯鳛楣庑畔⒖茖W(xué)與技術(shù)專業(yè)系列教材之一，系統(tǒng)地講述了光波導(dǎo)的基本概念和基本理論。第2章是其他各章的理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了介質(zhì)光波導(dǎo)的電磁波理論、射線光學(xué)理論和模式的概念。第3～6章分別討論了平面光波導(dǎo)、金屬包層平板介質(zhì)波導(dǎo)、矩形介質(zhì)波導(dǎo)和圓光波導(dǎo)中光的傳播特性。第7章講述了光波導(dǎo)的橫向耦合，包括橫向模耦合和光束耦合。第8章講述了光在非正規(guī)光波導(dǎo)中的耦合理論，重點(diǎn)討論了光纖光柵和光纖對接問題。本書十分注重與先修課程和后續(xù)課程的銜接，力求做到通俗易懂?！　”緯亲髡吒鶕?jù)近十年來的教學(xué)講義寫成，在編寫過程中，得到了吳重慶教授、佘守憲教授的指導(dǎo)，特別是吳重慶教授在百忙中閱讀了全部書稿，并提出了寶貴的修改意見，在這里謹(jǐn)向他們表示衷心地感謝?！　∠抻诰幷咚?，書中不妥之處在所難免，希望讀者指正。

內(nèi)容概要

本書以經(jīng)典電磁波理論和近代光學(xué)理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地論述了光波導(dǎo)的基本概念、基本理論和各種典型的分析方法。全面講述了平面光波導(dǎo)、金屬包層平板介質(zhì)波導(dǎo)、矩形介質(zhì)波導(dǎo)和圓光波導(dǎo)的基本原理。在此基礎(chǔ)上，對光波導(dǎo)的橫向耦合和縱向耦合問題分別進(jìn)行了討論?！　”緯m合光信息科學(xué)與技術(shù)、光纖通信、光學(xué)工程、應(yīng)用物理等專業(yè)的學(xué)生作為教材或參考教材使用。

書籍目錄

第1章 緒論 第2章 導(dǎo)波光學(xué)的理論基礎(chǔ) 　2.1 電磁場的基本方程 　　2.1.1 麥克斯韋方程組、物質(zhì)方程、邊值關(guān)系 　　2.1.2 亥姆霍茲方程 　　2.1.3 正規(guī)光波導(dǎo)中模式場的亥姆霍茲方程及模式的概念 　　2.1.4 電磁場和模式場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系 　2.2 光線在介質(zhì)中的傳播特性 　　2.2.1 反射定律、折射定律與全反射 　　2.2.2 古斯—漢欣(Goos—Haerchen)位移 　　2.2.3 射線光學(xué)基礎(chǔ) 　習(xí)題 第3章 平面光波導(dǎo) 　3.1 三層均勻平面波導(dǎo)的射線分析法 　3.2 三層均勻平面波導(dǎo)的電磁場分析法 　　3.2.1 一般平面波導(dǎo)中模式的種類 　　3.2.2 三層均勻平面波導(dǎo)中模式場的場分布與本征值方程 　　3.2.3 模截止及波導(dǎo)中的傳輸模式數(shù) 　　3.2.4 歸一化參量 　3.3 非均勻平面波導(dǎo)的射線分析法 　　3.3.1 光線在非均勻平面波導(dǎo)中的軌跡 　　3.3.2 非均勻平面波導(dǎo)中的本征值方程 　3.4 平方律分布漸變型折射率平板波導(dǎo) 　　3.4.1 TE導(dǎo)模 　　3.4.2 TM導(dǎo)模 　3.5 WKB近似法 　3.6 變分法 　　3.6.1 傳播常數(shù)的積分表達(dá)式和變分法 　　3.6.2 變分法的應(yīng)用 　3.7 有限元法簡介 　　3.7.1 基于變分思想的有限元法 　　3.7.2 基于加權(quán)余量法思想的有限元法 　3.8 多層分割法 　習(xí)題 第4章 金屬包層平板介質(zhì)波導(dǎo) 　4.1 金屬的光頻特性 　　4.1.1 金屬中的亥姆霍茲方程和復(fù)相對電容率 　　4.1.2 金屬光頻特性的初等電子論 　4.2 等離子體表面波(SPW) 　　4.2.1 介質(zhì)與金屬分界面上的等離子體表面波 　　4.2.2 長程等離子體表面波 　4.3 非對稱金屬包層介質(zhì)波導(dǎo) 　　4.3.1 模式的本征方程 　　4.3.2 傳播常數(shù)與模式特性 　4.4 對稱金屬包層介質(zhì)波導(dǎo) 　習(xí)題 第5章 矩形介質(zhì)波導(dǎo) 　5.1 馬卡梯里近似解法 　　5.1.1 馬卡梯里近似 　　5.1.2 矩形波導(dǎo)中導(dǎo)模的場分布及其本征值方程 　　5.1.3 傳播常數(shù)和模場場分布的計(jì)算實(shí)例 　　5.1.4 求解本征值(傳播常數(shù))的近似公式 　5.2 有效折射率法 　5.3 微擾法 　5.4 變分法 　習(xí)題 第6章 圓光波導(dǎo) 　6.1 階躍光纖的射線分析法 　　6.1.1 光纖中的光線種類 　　6.1.2 數(shù)值孔徑 　　6.1.3 子午光線的色散和時(shí)延差 　6.2 二層階躍光纖矢量模的分析方法 　　6.2.1 矢量模的分析方法 　　6.2.2 矢量模模式場各分量的解 　　6.2.3 特征方程 　　6.2.4 對特征方程的討論 　6.3 二層階躍光纖標(biāo)量模的分析方法 　　6.3.1 標(biāo)量模的分析方法 　　6.3.2 標(biāo)量模的場分布 　　6.3.3 特征方程 　　6.3.4 截止條件 　　6.3.5 遠(yuǎn)離截止的條件 　　6.3.6 矢量模與標(biāo)量之間的關(guān)系 　6.4 漸變折射率光纖的分析——高斯近似法 　6.5 光纖的傳輸特性——色散 　　6.5.1 基本傳輸方程 　　6.5.2 群時(shí)延 　　6.5.3 脈沖展寬 　　6.5.4 色散 　　6.5.5 二層階躍光纖的色散 　6.6 光纖的損耗 　　6.6.1 吸收損耗 　　6.6.2 散射損耗 　　6.6.3 彎曲損耗 　習(xí)題 第7章 光波導(dǎo)的橫向耦合 　7.1 光波導(dǎo)的橫向模耦合 　　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 棱鏡耦合器 　　7.3.1 棱鏡耦合器的工作原理 　　7.3.2 輸出耦合器 　　7.3.3 輸入耦合器 　習(xí)題 第8章 非正規(guī)光波導(dǎo) 　8.1 概述 　8.2 非正規(guī)光波導(dǎo)的模耦合方程 　　8.2.1 耦合方程的一般形式 　　8.2.2 弱導(dǎo)情況下耦合方程的形式 　　8.2.3 考慮正、反向模情況下耦合方程的形式 　8.3 光纖光柵 　8.4 光纖的對接——突變光波導(dǎo) 　習(xí)題 附錄Ⅰ 模式場的縱向分量與橫向分量之間關(guān)系的推導(dǎo) 附錄Ⅱ 古斯—漢欣位移的推導(dǎo) 附錄Ⅲ 矩形波導(dǎo)中的導(dǎo)模模式 附錄Ⅳ 矩形波導(dǎo)傳播常數(shù)和場分布的計(jì)算程序 附錄Ⅴ 脈沖信號基本傳輸方程的推導(dǎo) 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，需要傳輸處理的信息越來越多，并向著超高速、大容量的方向發(fā)展，使得人類逐步從電子時(shí)代向光子時(shí)代過渡，在這樣的形勢下，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)也就應(yīng)運(yùn)而生了，光的傳輸是光信息科學(xué)與技術(shù)中非常重要的內(nèi)容之一。光既可以在自由空間中傳輸，又可以在介質(zhì)中傳輸。導(dǎo)波光學(xué)是以經(jīng)典電磁波理論為基礎(chǔ)，研究光和光信號在各類介質(zhì)光波導(dǎo)中傳播特性的科學(xué)?！　≡诠庑畔⒌膫鬏敽吞幚磉^程中，需要讓光波沿著一定的方向傳播。為此，需要設(shè)計(jì)一種介質(zhì)結(jié)構(gòu)，將光波限制在其內(nèi)部或其表面附近且引導(dǎo)光沿著確定的方向傳播，這種介質(zhì)結(jié)構(gòu)就稱為光波導(dǎo)。最簡單、最基本的光波導(dǎo)一般由傳輸光能的芯區(qū)介質(zhì)和限制光能的包層介質(zhì)組成，芯區(qū)介質(zhì)的折射率一般大于包層介質(zhì)的折射率，如大家所熟知的具有圓形截面的光纖。另外，當(dāng)光波導(dǎo)用于傳輸時(shí)，還應(yīng)具有低傳輸損耗的性質(zhì)?！　⌒枰赋龅氖?，雖然大部分光波導(dǎo)都是人為設(shè)計(jì)的，但是也存在天然的光波導(dǎo)，比如水柱、活體等。這些光波導(dǎo)的性質(zhì)比較復(fù)雜，但本課程分析問題的基本方法也是適用于這些復(fù)雜的光波導(dǎo)?！　」獠▽?dǎo)可以按不同的方法進(jìn)行分類；若按波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類可以把光波導(dǎo)分成：平面（平板）介質(zhì)波導(dǎo)、矩形（條形）介質(zhì)波導(dǎo)、圓和非圓介質(zhì)波導(dǎo)等，如圖1-1所示?！　∵€有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光波導(dǎo)，在今后的學(xué)習(xí)中我們會逐漸了解?！　」獠▽?dǎo)還可以按其折射率在空間的分布進(jìn)行分類，在按這種方法分類時(shí)要涉及縱向和橫向的概念，下面先介紹這兩個(gè)概念。在導(dǎo)波光學(xué)中，把光的傳播方向稱為縱向，通常設(shè)為z軸的方向，而把與之垂直的方向稱為橫向，即z-Y平面上的任一方向。

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