导波光学全面知识总结

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《导波光学》通过对各类光导波性质及器件原理的学习,培养学生的自主创新精神,提高学生分析问题和解决问题的能力,因此《导波光学》总结作者多年来在光波导领域工作研究成果;分析转移矩阵和微扰是《导波光学》运用最多的两种数学工具。导波光学是20世纪60年代后期发展起来的一门新兴的综合性很强的学科。由于其在未来信息社会具有巨大的应用潜力,一直受到学术界和技术界的高度重视。
导波光学物理基础 18波导模式的正交性与模式展开 ■pp口 D4p甲甲甲·日■■n·d;山■ (39) 参考文献 42) 第2章平板介质波导 ………(44) 2.1阶跃刑层板波导 4Δ 撼式方程樘截归一化參量…… 44 2.1.2模式方程的解传播常数的近似公式 47 2.2渐变折射率立板波导 49 22.1平方律(抛射型)分布… 22指数型分 53) 2.2.3宜线均分布… (55) 23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 2.3.2WKB近似 2.3.3微扰法… 66 23.4变分法 …(69 2.3.5多层分割法 (71) 24多层平板波导 h■■ppm■■pa 中卩聊■口着4L山 (74) 2.4.1四层平板玻导 (74 2.4.2工层平板波导… 日日■口 (76) 243“W”型波导 (79 25平板波导定向耦合器 平■晉■t T?■■■ (80) 26渐变波导 (83) 2.7分支波导… (86) 28平板介质波导的散射损耗与吸收掘耗… ………(89) 29平板介质波导的弯曲损耗… …(91) 2.9.1速度方法… 甲P号冒h1bbq·甲··■ 0 292直波导等效法… 94) 参考文献 98) 第3章金腐包层平板介质波导 ■P4P■山七■··d (99) 3.1金属的光频特性 3.1 异电媒质中的电磁泼复电容率 99 3.1.2金属光频特性的初等电子论 咖中即q晷L山山 L IUU 3,2等离子休表面波……… r………"…”(2) 321等离子体志波的存在条件 102) 3.2.2长程等离子体表面波… 105) 3.3非对称金属包层介质波导………… 3.31模式复数本征方程及其解法……… (107) 传播常数与祺式特性 (109) 34金属包层介质波导的色散与损耗:精确微扰分析…… 文件使用 试用版本创建 目录 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,………",……………*…:"……,… 16) 3.7金属包层波导的滤模器、偏振器与方向耦合器…………… ■甲甲■·血甲甲血血着 120 3.71金属包层滤模器∵………………………… ………(!20) 3.72会属包居波导偏振器…… …(i2l) 37.3会属膜偏振分离定向耦合器……………………(12l) 参老文献………t… (123) 第4章条形介质波导 (124) 4.1马卡梯里近似解法 (124) 4,2数值讨箅解法 ………(J29) 4.2.1圆计函数分析法……………-…… F“·4·上“4即aI (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) 432脊形液与条载波导的分析 (136) 43.3扩散条载波导的分析 (138 44黴扰法 (139) 45变分法 (145) 46加余量法与选代矩量法… (146) 46.1条形介质波导的加权余量法分析……………………………(46) 46.2选代矩量法…… 参考文献 152 第5章波导耦合原理 (153) 5.1耦合波方程…… ………………(153) 5L1两个波导导模之间的合 ↓卩·◆·■日··甲q善即甲;昌Aa"a ………………(!53) 5.L.2司方向耦合……………………4+…… (155) 5L.3相反方向合…… 156) 52定向耦合器…… 158) 52I定間鹔合的理论分析………t… 4p4·自中■晋P■■普画■ ■pd即 s8) 522平板波寻定向料合器 160 5.23矩形波导定向稠合器 鲁普『■dbmm·■ 1162} 53棱镜耦合器 F,中啊·日■FT吾古b“古如=“ 卩聊日■4b↓■罾4bd (te 531校镜耦含器的工作原理 甲··即q4古a- ■■■·中血幽司●■4 …'"………(165 5.3.2棱锐-波导系统的模式本征值方程… 167 533输出料合愠… 咖甲■着↓口 q■■■·自血日p■■吾■ (170 534输人耦合器 17 54光栅耦合器 甲q■山 (173 55尖劈形薄膜裸合器… ■■■■■ ……(175) 参考文献… (177) 文件使用 试用版本创建 4 导波光学物理基础 第6章周期性波导 甲■早鲁甲■ 79 61耦合波方程与片期性波导 ↓山d■画d■山山■ (179) 6.2矩形皱纹周期性波导 甲1b冒4昌d4■晶 L_·4qp (183) 63布喇格反射滤波器… …(186) 64分布反馈激光器· (189 6.4.1耦合模方程及其解…… ■··p甲 …………:(190) 64.2振荡和放上作川 ……"………(191) 6.43振荡条件与劍俏增益系数…… (191) 65周期性波导的等效折射率法 L■郾 …(193) 6.5,1矩形皱纹間期性波导的等效多层薄膜波导………,… (193) 652周期性多层薄膜的分析 (194) 66一般周期性波导的分布反馈系数 1■「1雪自■山 67多量子阱波导的传输与色散特性 203) 参考文献 甲鲁4·自血■冒普普d 207 第7章光导波的调制…… 209 71光波调制的基本概念… 相位调制 209 7.1.2偏振调制 (210) 71.3强度调制……… ■『■1 …"t∴…:(210) 74谒制器的质量指标 2晶体中的光波… (213) 721晶捧的电容率张量 ………(213) 722晶体巾的平阿屯磁波 (215) 723折射率椭球 ■■■■■■萨罪着↓d 218 73晶体的电光效应 中ψ·■■◆咖甲善■ (221) 74电光调制原理 (225 4电光波导和位调制器… ■甲冒?冒自血■ (225 4.2电光波导强度调制器与开关………… 74.3足向耦合箭器与光开关 7.5磁光效应 (29 (235 75.是法拉第效应 (236) 75.2科顿穆顿效应………… ↓:P■d (236) 75.3旋光介质的电容率张量与磁光就应 76磁光驶导器件 (236) ar■ 中血昏4晋 (240) 76.1非互易模式转换理论……………………… 血}■■■ (240) 76.2光导隔离器… (243) 63磁光回转器与磁光环行器 日申唱■■卩■↓昌 (244 卩64TM模式转换磁光器件… 77声光效应 (244) ■■4■■p ■■◆■■■■自中甲导■■■中■「d即■■·●■↓画 …(246) 文件使用 试用版本创建 目录 7.8声光波导调制…… 248 7.8.!喇曼-亲斯術射 (249) 冫8.2布喇格衍射 ………(251) 参考文敵 ·曾·甲·平·血■『11tP平■■ (253) 第8章非线性介质光波导 ■甲甲甲看甲 1■■■司p卩■■口●■p■曲白幽山b白 (255 8.I线性光学效应 (256) 8.1.1二阶非线性光学效应…4……………… (256) 8.1.2三阶卡线性光学效应 …(258) 81.3受激拉曼散射与受瀲布里渊散射 50 82波导中的-阶非线性业学效应 (260) 8.21耦合波方程藕合系数…… (260) 8.2.2和频效应 (264) 823倍频效应一二次谐波发生 …………………"(265) 824参量放大与参量振荡……… ……(266 82.5非线性光学信息处理 (267 8.3波导中的阶非线性光学效应 ……(268) 83.1依赖于光强的折射率……………… ……(268) 32非线性光波导 日◆即平■■吾画d普b甲pn聊p (269) 84非线性平板波导的波动理论 ¨"…………"(271) 4!非线性三层平板波导导模的近似分析法 272) 84.2非线性三层平板波导的特确分析 …"……(280) 8.5波导的光学稳态器件 ……"……(284) 851纯光色散型光学双稳器件 (285) 852纯光学吸收型北学双稳器件 ■會■ L▲画 288 853光电混合型光学双稳装置 …289) 参考文献 ■L旱看■ 292 第9章國光波导… …………(29 9.1光导纤继(光纤)… 4°鲁 中-冒『甲 (295) 9.2均匀折射率光纤的光线理论分析 自自■吾■h晶_ha可 ……….1297 92纤中的光线种类 …………!"………〈298 922数值孔径……… ·1普自pp甲■apd (298 .23子午光线的色散时延差 k由由平+P血山如日B4···日 (299) 924焦散面偏射线 ■■日日曾,↓幽 (300) 925模式的本征方程 (3u 93均匀折射率光纤的波动理论 …………(304) 9.3.1亥姆霍袭方程电磁场的纵问分量…… (304 932麦克斯韦方程和电磁场横向分量 ■■·阜中■4吾昌司中■■◆酯甲山 (307) 93.3模式本征方程(特征方程 4"·日自■·自自日曾声■平骨日矿4n (308) 934阶跃型折射革光纤中的各类模式 (309) 文件使用 试用版本创建 导波光学物理基础 9.3.5各类模式的懺止条件模色散菡线 (309) 94弱导光纤 晶▲■■ 313) 4.1弱早光纤中的模式本征方程与场分布 (313) 9.4.2LH模(线愾振模)… 卩甲p甲甲口■甲p■甲。■ …………………………(3L8) 9.5渐变折射坐光纤的光线埋论分析 HI 4p看唱■pp■●D■ ……(321) 95.1平方律光纤自聚焦光纤:"!t""" (321) 95.2自聚蚀光纤棒的戏像原理与应用简介∴…………………………… (324) 96渐变折射光纤的波动理论…… 唱血■■鲁幽啁■■血■自■血山■ 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… 9.7.1WKB近似法+ P■■ (331) 9.7.2变分法求传常数高斯近似法等效阶跃折射率光纤法 (33) 97.3级数解法 …(,37) 9.8元纤的损耗……… (38) 98.1吸收损耗 (339) g.8.2散射损耗 ……(39) 99光纤的色散… ……(339) 99.1光纤色散约弹类 9.92波导色散……… ■■甲甲1昏4【白1b晶 …(341) 99.3多模色散 ………'………(342) 99,4材料色散 ■■甲ppd上血 甲■【L甲■看■ ………343) 参考文献 ■早4PP個鲁P■■會自■■冒 343) 第1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单模光纤的双折射性质…… 4晶当}b■qm甲4pq4pmq■·聊聊 345) 10.1.7双折射光纤 348) 10.2非圆光泼导的近似分析 冒昏■P (351) 10,2.1微扰法的具体应用…… 351) 1022等效光波导的概念与微扰慘正……… ■4■看4L昌44▲b 1023椭圆芯阶跃光纤 甲■甲■■■ …(354 1024平方律椭网火波导 ……(355) 10.3偏振态偏振态在光纤中的演化… (358) i0.31偏板态的描述琼斯矢量………t (358) 10.3.2備振的合与分解 ……"(362) 10.3.3琼斯矩阵与備振态的演化∵………… (363) 1.3.4线双折射和圆双折射的成因和性 (366) 10.3.5线双折射和圆双折射光纤的琼斯矩阵… ………:(371) 0.36邦加球法与偏振态演化的表示… 『■■【幽血血 …(377) 参考文献 (386) 文件使用 试用版本创建 目录 7 第11章光纤的耦合非正规光波导… (387) I1.1非王规光波导耦合波方程 (387) 1]2弱导缓变光波导的模式耦合 (390 11.3非正规光波导………… 血■■啁■甲冒D即q ……………"……(392 ]],4光纤光棚………… ………,………………(393 11.4.1匀周期正弦鹎光纤光栅 (393 11,4,2非均匀周光纤光栅… p上q电 ■■自 (396) 11.5光纤的对接突变光波导… (397) 11,6正规y波导的横向耦合方程……… 11.6.1模式耦♂方程 400) 11.6.2耦台菠的待性 (405) 1].7光纤耦合器与光纤滤波器… 407 11.7.]光纤定向视合器… (407) l1.7.2光纤滤波張 ■平■■山■ (408 l8光纤激光器与光纤放大器… 41 参考文献· 412) 第1章光纤中的非线性效应光孤子… 413) 12.1北纤肀的非线性效应…..…-, 平·b■备■ (41 121.1光纤中的非线性转换效率 (413 121,2光纤中的克尔效应 鲁·平"平■■■Ld晶 414) 121.3光纤中的白相位调制和方波自慮形 自■·曾道甲普4·■■a■ 415) 12.14光脉冲在光纤中的压缩 ■■·自自■日日■P冒唱■▲鲁■聊db看,d4 417 12.2孤 48 12.2.Kv方程钟型孤立波…… 419 1222单孤子解和双子解 1420 123包络型子非线性薜定谔方程…… 422 24亮光狮子与暗光孤子 …:(424 5光脉冲的传播方程 427 12.6色散与非线性效应对脉冲传播的影响……… (430 261群速度色散引起的脉冲展宽…………………………… 430 1262非线性效应对脉冲传播的影响… 12.6.3群速变色散救应与自相位调制效应的平衡-光孤?的形成 (432) 12.7光孤子通信简介… 433) 参考文献 号曾·Pt (435) 数学附录… A1直角坐标系圆柱坐标系球坐标系… ………………(436) 2复数表示法 ··日「『P·暑h·卩q·p幽t■■pa■ !■b4dppq■■ 437) A3矢量代数运算 (437 A4矩阵与矩阵乘法矩阵的本征值问题 (438) 文件使用 试用版本创建 导波光学物理基础 A5矢量微分算符 ■卜■b普 4b卜卜‘41b由1西由血 ……………40) A6双曲函数… …(443) A7伽马函数(T啊数 8贝寒耳函数( Bessel图数)……… A9爱里函数( Airy pi数)………… 448) AI0雅可比椭函数( Jacobi椭圆函数)…… …………·(453) 文件使用 试用版本创建 第1章介质光波导 电磁场理论与射线光学基础 介质光波导(简称光波导〕是一种能够将光波隕制在其内部或其表面附近.引导光波沿确 定方向传播的介质几何结构,它包括具有圆形截面的圆波导(光学纤维简称光纤)以及平板波 导条形波导等具有平面对称性或直角对称性的光波导研究光波导中光传播特性及其应用 的学科称为导波光学,并把它划分成两个分支;纤维光学(光纤光学和集成光学,前者研究光 纤,后者研究光波导器件中采用的平板波导、条形波导等基本纳构的特性及其应用.事实上 这两个分支所依据的基本原理和所采用的分析方法相类似.本书第1章到第8章阐述集成光 学的原理和方法,第9章到第12章阐述纤维光学的原理和方法 导波光学屮涉及的光波,其波长范围大体在01~10m研究光波导应以光的电磁场理论 和介质光学特性的理沦为基础,本章将阐述有关的基础知识,原理和方法,我们将从电磁场 所遵守的麦克斯韦方程发,对光波导中的光波传播问题进行哩沦分析,这种理论也就足光波 导的电磁场理论.当光波波长与传播区域的线度相比极小时,可以认为光沿着定的曲线(光 线)传输,采用几何光学的方法作近似处理,几何光学(也称射线光学〕理论宜用于分析较简单 的问题给出直观、潸晰的物理图象,其缺点是不能给出严格而精确的解难以分析复杂问题, 本童首先对介质光波导作一概略介绍,然后总结回顾光的电磁埋论,简述电介质光学特 性的经典电子理论,并阐述研究光波导传播问题的两种基本方法:射线光学方法与电磁汤理论 方法,后者也常称为电磁波理论方法最后,简单介绍用以计算导波传播常数常用的变分原 理,从第2章起,以上述理论为基础,阐述各种介质光波导及基本器牛的原理 1.1介质光波导 图1-1画出了集成光学中用到的几种典型导波结构的横截面示意图.在与该横截面重 直的纵向上,波导无限延伸;介质的折射率通常是与纵向无关的.如果不考虑光波导的激励, 般常忽咯光源的影响,着重研究光的纵向传攔.在这些光波导中,如果光在横向受到充分的 约束而没有辐射或滥漏,就可以沿纵向传播这种光波称为导波,其基本传播模式(见后面)称 为导波模或导模;反之,如杲光在横向上有辐射,则基本传播模式称为辐射模.下面,以常见的 三层平板均匀波导为例借助射线光学的概念,给以简单说明 层平板均匀波导的结构如图1-2所示,它是由夹在低折射率村底和包层之间的高折射 率薄膜构成的.薄膜树底和包层的折射率分别为n,m2和n3,且n1>n2A3,包层通常为空 气,即n3=1薄膜和衬底折射率之差一般为103-10-1,薄膜厚度一般为几微米,叮与无波长 文件使用 试用版本创建

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