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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