《光電信息科學與工程類專業規劃教材：光波導理論基礎教程》以幾何光學和波動光學理論為基礎，系統闡述了介質光波導的分析方法和光傳輸特性。波導涉及階躍式折射率分布和漸變式折射率分布的二維薄膜波導、三維條形波導及光纖，主要內容涵蓋各種波導的解析與數值分析方法、模式分類與特征、模式場的分布與傳輸特性、模耦合理論等，并介紹了幾種無源光波導器件和光波導放大器的工作原理及特性，同時對光子晶體波導也做了介紹。每章都附有一定數量的習題。
21世紀人類已進入以光通信和信息網絡為主要特征的信息時代，社會和科技領域對于獲取信息、傳輸信息、處理信息和存儲信息的要求越來越高。與信息有關的光通信、光電子、光傳感、光集成、半導體激光等各種新技術，正以空前的速度和規模迅猛發展。隨著光傳輸技術和半導體激光技術的發展而逐步建立起來的光波導理論是光通信與光電子技術的主要理論基礎，一直受到科技人員的重視。掌握該理論對有關專業的研究工作者和技術人員理解新概念、掌握新方法、發現新現象和創造新技術都是十分必要和有益的。
目前國內外許多高校都為光學工程、光學、光電子、光通信等相關專業的研究生和高年級本科生開設了光波導理論課程。本書是作者在十余年講授研究生課程“光波導理論基礎”的基礎上，結合課程講義和作者的科研成果而完成的。
本書共12章，系統地介紹了分析光波導的幾何光學理論和波動光學理論，所選擇的內容都是光波導的基礎理論部分，對光波導的場模式理論、傳輸理論、光無源器件、光有源器件等都做了詳盡論述。為體現學科前沿成果，保證教材質量，在內容上充分吸收國內外相關研究成果，并融入編著者近年來在無源/有源光波導領域的部分研究成果，突出思想性、針對性、科學性和系統性。在教材的編寫上，作者力求理論體系完整、物理概念清晰明確、內容簡明扼要、數學推導簡潔嚴整。
本書第1章～第8章、第11章由李淑鳳、宋昌烈編寫，第9章由李成仁和李淑鳳編寫，第10章、第12章由李成仁編寫，李淑鳳統編全稿。宋昌烈教授在編寫課程講義和詳細教材大綱中付出了大量心血。研究生馮希會、杜雨洲和梁翠翠做了部分數值計算、習題編寫和校對工作。趙明山教授認真審閱了全部書稿，并提出了許多寶貴建議。
本教材是在大連理工大學研究生院教改基金資助下完成的，同時得到了物理與光電工程學院以及光學工程學科的大力支持。
由于作者水平有限，書中難免有不妥和錯誤之處，懇請讀者批評指正。
作者
于大連理工大學
第1章 電磁場理論
1.1 麥克斯韋方程
1.2 電磁場邊界條件
1.3 單色平面電磁波
1.4 坡印亭矢量和傳輸功率
1.5 亥姆霍茲方程
1.6 平面電磁波的反射和折射
1.7 光的全反射與倏逝波
1.8 全反射相移與古斯-漢森位移
習題
第2章 幾何光學
2.1 程函方程
2.2 光傳播路徑分析
2.2.1 光線方程
2.2.2 光線方程應用舉例
2.3 費馬原理
習題
第3章 光波導幾何分析
3.1 均勻介質薄膜波導
3.2 折射率漸變薄膜波導中的光線
3.3 階躍光纖中的光線
3.3.1 子午光線
3.3.2 偏斜光線
3.4 梯度光纖中的光線
3.4.1 柱坐標的光線方程
3.4.2 光線不變量
3.4.3 光線判據函數
3.4.4 光線分析
3.5 傳播時延與色散特性
3.5.1 均勻介質波導的時延差
3.5.2 折射率漸變介質波導的時延差
3.5.3 光纖的色散
習題
第4章 薄膜波導模式理論
4.1 均勻薄膜波導特征方程
4.2 薄膜波導電磁場方程
4.3 TE模分析
4.4 TM模分析
4.5 導模特性
4.5.1 導模截止
4.5.2 導模定則
4.5.3 導模數量
4.5.4 單模傳輸
4.5.5 截止波長
4.5.6 歸一化參量與薄膜波導色散曲線
4.6 導模光強和功率
4.6.1 導模光強
4.6.2 傳輸功率
習題
第5章 三維光波導
5.1 三維光波導結構
5.2 馬卡提里近似法
5.3 場方程與形式解
5.4 模特征方程
5.5 模特征方程
5.6 模式特性
5.6.1 導模條件與模截止
5.6.2 單模傳輸
5.6.3 截止波長
5.6.4 矩形波導色散曲線與模場分布
5.7 有效折射率法
5.7.1 矩形波導
5.7.2 脊波導
5.7.3 條載波導及四層平板波導
習題
第6章 光纖模式理論
6.1 光纖的電磁場方程
6.2 階躍光纖電磁場方程的矢量解法
6.2.1 芯區和包層的電磁場
6.2.2 導模特征方程
6.2.3 導模分類
6.2.4 導模截止條件與單模傳輸
6.2.5 模色散曲線
6.2.6 導模電磁場分布
6.3 光纖的線偏振模
6.3.1 場的直角分量與場方程的標量解法
6.3.2 線偏振模及簡并度
6.3.3 LPmn模的矢量模組成
6.3.4 LP模光強和功率
6.3.5 階躍多模光纖的導模數量
6.4 梯度光纖模場分析
6.4.1 梯度光纖場方程及標量解
6.4.2 傳播常數
6.4.3 模式群和導模數量
習題
第7章 電磁場分析的有限元法
7.1 微分方程邊值問題
7.1.1 邊值問題
7.1.2 Ritz方法
7.1.3 Galerkin方法
7.1.4 本征值方程
7.2 有限元分析
7.2.1 區域離散和單元劃分
7.2.2 線性插值函數與基函數
7.2.3 單元方程的擴展-全局方程的建立
7.2.4 二階單元與基函數
7.3 光波導模式問題的應用舉例
7.3.1 單元大小對計算結果的影響
7.3.2 脊波導模場的有限元計算
7.3.3 偽模
習題
第8章 模式耦合理論
8.1 模式的正交性與完備性
8.1.1 橫場方程
8.1.2 模式的正交性及歸一化
8.1.3 展開式的完備性
8.2 模耦合方程
8.2.1 理想正規模式展開的模耦合方程
8.2.2 本地正規模式展開的模耦合方程
8.3 模耦合方程的微擾解-雙向模耦合
習題
第9章 無源光器件
9.1 光纖光柵
9.1.1 光纖光柵耦合方程
9.1.2 光纖光柵傳輸特性
9.1.3 光纖光柵濾波特性
9.2 平面波導光柵
9.3 雙波導定向耦合器
9.4 波分復用/解復用器
9.4.1 角色散型
9.4.2 干涉型
9.4.3 F-P腔光濾波型
9.4.4 陣列波導光柵
9.5 光開關
習題
第10章 光波導放大器
10.1 概述
10.2 鉺離子的光譜特性
10.2.1 Er3+能級結構
10.2.2 Er3+的光致發光機制
10.3 速率方程
10.3.1 光放大原理及光泵浦波長
10.3.2 鐿-鉺共摻系統的速率方程
10.3.3 鉺離子熒光特性
10.3.4 粒子數反轉
10.4 光波傳輸方程
10.5 放大器增益特性
習題
第11章 光子晶體波導
11.1 光子晶體理論
11.1.1 光子晶體結構與兩種晶格
11.1.2 平面波展開法
11.1.3 二維光子晶體帶隙結構
11.2 光子晶體波導
11.2.1 二維光子晶體波導
11.2.2 二維平板光子晶體波導
習題
第12章 光波導的制備
12.1 概述
12.2 光纖制造
12.3 薄膜制備
12.3.1 蒸發法
12.3.2 直流磁控濺射法
12.3.3 中頻、射頻磁控濺射法
12.3.4 脈沖激光沉積法
12.3.5 薄膜制備的化學方法
12.3.6 薄膜的退火
12.4 薄膜的表征
12.4.1 X射線衍射儀
12.4.2 掃描電鏡
12.4.3 電子探針
12.5 三維光波導的制作
12.5.1 光刻技術
12.5.2 加工技術
習題
附錄A Bessel方程與Bessel函數
A.1 Bessel方程與Bessel函數
A.2 各類Bessel函數的漸近展開式
A.3 Bessel函數的遞推關系
附錄B LPmn模特征方程與其組成的矢量模特征方程的等價性
附錄C 自伴算符
C.1 二維散度定理
C.2 自伴算符
參考文獻
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