《微纳光子集成》是关于光子集成理论以及制备技术的专著。《微纳光子集成》共10章，第1章主要介绍光波导基础理论；第2、3章主要介绍光波导器件数值模拟技术；第4章主要介绍各类光波导（包括*新发展的硅纳米光波导等）基本特性以及相关制作工艺；第5章重点介绍针对光纤到户系统需求的新型集成光子器件；第6、7章重点介绍光通信系统中*具代表性的集成光子器件，包括波分复用器、微环滤波器等，并在第7章对微环传感器的*新进展作了相关介绍；第8章详细介绍*新发展的表面等离子金属光波导的原理、结构以及发展前景；第9章主要介绍和总结另一种新型光波导一光子晶体波导；第10章着重介绍硅光子学的*新研究进展。

第1章 光波导基本理论
　　1969年，Miller*先提出在介质材料上实现复杂的集成光学器件的设想，并指出集成光学器件具有小尺寸、高稳定性和重复性的突出优点[1]。介质光波导是集成光波导器件中的基本光学回路，用以控制光波的传输。人们常常把波导中光学现象（如传播、耦合、调制等）的研究，称为导波光学。光纤是一种很常见的介质光波导，其截面为圆形，但在集成光学（integrated optics）中，人们更感兴趣的是可在芯片上集成的平面光波导。本章旨在介绍平面波导概念、特征方程及其模式特性。
　　一般可将平面光波导分为平面平板波导（简称平板波导）和平面条形波导（简称条形波导），其结构分别如图1.1和图1.2所示[2]。平板波导只在横截面内一个方向上对光有限制作用（见图1.1中的x方向），条形波导则在两个方向上都有限制作用（见图1.2中的方向）。常用的波导结构和材料可参考表4.1。平板波导是*简单的波导结构，通过对平板波导的研究，可以建立对光波导中光传输特性的基本认识，并有助于研究各种复杂的波导结构。
　　图1.1 平板波导结构示意图
　　图1.2 条形波导结构示意图
　　1.1 平板波导
　　平板波导由三层介质组成，中间层介质折射率*大，称为导波层。上、下两层折射率较低，分别称为覆盖层和衬底层。覆盖层折射率记为&，导波层折射率记为wf，衬底层折射率记为（见图1.1）当m=n时，称为对称型平板波导。反之，则称为非对称型平板波导。
　　分析介质波导有两种基本理论方法，即射线理论分析法（几何光学）和电磁场理论分析法（导波光学）[2]。射线理论分析法简单、直观、物理概念清晰，并能得到一些光在光波导中的基本传输特性。但若要描述波导中的模场分布，则需用严格的电磁场理论来分析。
　　1.1.1 射线理论分析法
　　射线理论分析法认为波导中的波是由均**面波在导波层两个界面上全反射形成的。根据折射定律可知，光线在上、下两个界面的全反射临界角分别为。很显然，随着人射角0的增大，会出现以下三种情况：
　　（1）光线将从衬底和覆盖层透射出去，光波并不能限制在导波层中传输，此时对应的电磁波称为辐射模。
　　（2）min，光线将从衬底或覆盖透射出去。一般情况下，薄膜波导的覆盖层为空气，故有，此时光从衬底透射出去，因此这种模式叫做衬底辐射模。
　　（3）在上、下界面上均可发生全反射，因而光线沿着锯齿形路径传播，光能量基本上限制在导波层内，此时对应的电磁波称为导模。导模在导波层内形成驻波，而在覆盖层、衬底层形成指数衰减的消逝场。
　　导模是在光波导中传播的模式，下面将着重讨论一下导模。图1.3所示为平板波导的侧视图及相应的坐标系。设光沿z方向传播，在z方向受到限制，而在垂直平面的方向上波导结构和光波都是均匀的。导波光的传输常数为波矢量knf在传输方向上的分量，即，其中是光在真空中的波矢。这里引人波导的有效折射率ne（见1.2.2节），其定义为。
　　要维持光波在导波层内传播，必须使光波经过导波层上、下界面两次反射之后到达波导中某一点与人射光到达同一点（见图1.3中的C点）之间的位相差hep为2n的整数倍（称为自洽条件）即
　　图1.3 平板波导的侧视图
　　（1.1）
　　式中，分别为上、下界面发生全发射时的相移； k为芯层的波矢。
　　由图1.3可知
　　式中，为波导芯层厚度。故有
　　即
　　式中，h为波矢k在x方向的分量；m（整数）表示模的阶数，因此平板波导所能允许的模式是分立且有限的。这里分两种偏振模式来讨论，即横电（TE）模和横磁（TM）模。TE模指的是其电场垂直入射面（由波阵面法线和分界面法线所构成）的偏振态，即电场方向平行于波导芯层和包层的界面。TM模指的是磁场垂直于入射面的偏振态，即磁场方向平行于波导芯层和包层的界面。
　　对于TE模[3]
　　（1.2）
　　对于TM模
　　（1.3）
　　式中，下标1=c或s。代入模方程（1.1），分别得到TE模和TM模的模方程。
　　对于TE模
　　（1.4）
　　对于TM模
　　1.2 波动理论分析法
　　（1.5）
　　波导理论[14]是把平板波导模式看作满足介质平板波导边界条件的麦克斯韦方程的解。由时谐电磁场的麦克斯韦方程组将矢量各分量展开，得
　　（1.6）
　　（1.7）
　　（1.8）
　　考虑到y方向是均匀的，即，得到六个标量方程。
　　设波沿着z方向传播，则沿z方向场的变化可用一个传输因子来表示。电磁场写成如下形式：
　　式中可用代替I，由此可得两组自洽类型的解。其中**组电场矢量只包含E，，这就是TE模，其方程为
　　（1.9）
　　第二组磁场矢量只包含Hy，这就是TM模，其方程为
　　（1.10）
　　1.1.2.1 TE模
　　对于TE波，由于仅有Ey分量，故得到如下波动方程（即亥姆霍茨方程）
　　（1.11）
　　对于平板波导，可以写出如下三个区域的波动方程：
　　（1.12）
　　根据物理意义可以预见在导波层内是驻波解，可用余弦函数表示，而在覆盖层、衬底层中是倏逝波，应是衰减解，用指数函数表示。故有解为
　　（1.13）
　　式中，a为波导半宽度；
　　（1.14）
　　因p、h、q均应为实数，故需满足
　　即，这与前文利用射线分析法所得的导模条件一致。下面再根据问题的边界条件求解式中的常数AE、As、Af。
　　这里边界条件为：处切向Ey分量连续，切向分量Hz也连续，由知连续。利用此边界条件，得
　　（1）x=-a处，有
　　（1.15）
　　即
　　（1.16）
　　（2）x=a处，有
　　（1.17）
　　即
　　（1.18）
　　式（1.16）除以式（1.15）得
　　（1.19）
　　式（1.18）除以式（1.17）得
　　（1.20）
　　由于三角函数的周期性，并根据式（1.19）和式（1.20），可得
　　（1.21）
　　式中，均为卢的函数，因此式（1.21）是一个关于的超越方程，即平板波导的特征方程。式（1.21）与式（1.4）实际上是一致的[只需将式（1.14）代人式（1.21）即可]，各项的物理意义也是相同的。
　　引入几个变量和几个定义

目录
前言
第1章 光波导基本理论 1
1.1 平板波导 2
1.1.1 射线理论分析法 2
1.1.2 波动理论分析法 4
1.1.3 高斯近似模场 9
1.2 条形波导 10
1.2.1 Macatili方法 10
1.2.2 等效折射率方法 13
1.3 本章小结 14
参考文献 14
第2章 光束传输方法 16
2.1 全矢量波动方程 16
2.2 BPM 17
2.3 BPM应用实例 21
2.3.1 实例1:定向耦合器 21
2.3.2 实例2:马赫-曾德尔干涉仪 21
2.4 本章小结 22
参考文献 22
第3章 时域有限差分方法 24
3.1 引言 24
3.2 麦克斯韦方程的FDTD计算式及基本性质 25
3.2.1 Yee元胞及差分格式 25
3.2.2 数值稳定性条件 28
3.2.3 数值色散与噪声 28
3.3 完美匹配层吸收边界条件 29
3.4 激励源设置 32
3.4.1 脉冲源与稳态源 32
3.4.2 总场散射场分离 33
3.5 色散介质的有限差分方法 34
3.5.1 联系D和E的因果性和几种典型色散模型 34
3.5.2 色散介质的FDTD差分算法 36
3.6 计算实例与分析 38
参考文献 39
第4章 常见光波导材料与结构 40
4.1 典型光波导材料与结构 40
4.1.1 SiO2材料及波导 40
4.1.2 Ⅲ-V族半导体材料及波导 42
4.1.3 钼酸锂（LiNbO3)材料及波导 43
4.1.4 聚合物材料及波导 44
4.1.5 硅绝缘体材料及波导 45
4.1.6 新型纳米光波导 48
4.1.7 光波导材料及结构小结 50
4.2 光波导器件的制作工艺 51
4.2.1 波导层薄膜生长 53
4.2.2 光刻工艺 55
4.2.3 刻蚀技术 59
4.3 光波导器件的测试 63
4.3.1 测试流程 63
4.3.2 测试装置 65
4.3.3 波导传输损耗测试方法 65
4.3.4 光波导器件的封装与测试 68
4.4 本章小结 70
参考文献 70
第5章 光波导耦合器 73
5.1 光耦合器概述及分类 73
5.2 光耦合器的一般技术参数 75
5.3 Y分支概述 79
5.3.1 Y分支的基本原理 79
5.3.2 Y分支的设计举例 81
5.3.3 可调谐Y分支 83
5.3.4 Y分支的应用 83
5.4 MMI耦合器 84
5.4.1 MMI耦合器基本原理 84
5.4.2 MMI耦合器的应用 87
5.5 定向耦合器 89
5.6 本章小结 91
参考文献 92
第6章 波分复用器 94
6.1 波分复用技术 94
6.2 波分复用器件 95
6.3 AWG 98
6.3.1 AWG原理和几何设计 98
6.3.2 AWG的理论建模 112
6.4 EDG 121
6.5 波分复用器件优化设计 124
6.5.1 带通平坦设计 124
6.5.2 偏振不敏感设计 126
6.5.3 热不敏感设计 128
6.5.4 低串扰设计 129
6.5.5 其他优化设计 130
6.6 波分复用器件的应用 130
6.6.1 单纤三向器件 130
6.6.2 光码分多址复用的编解码器应用 131
6.7 本章小结 132
参考文献 133
第7章 微环谐振器及相关器件 135
7.1 概述 135
7.2 基本原理 135
7.2.1 基本结构 135
7.2.2 基本参量 137
7.2.3 基本功能 139
7.3 传输矩阵法 139
7.3.1 振幅耦合方程 139
7.3.2 单环滤波器 140
7.3.3 并联双环滤波器 145
7.3.4 串联双环滤波器 149
7.4 基于微环谐振器的集成光子器件 153
7.4.1 滤波器 153
7.4.2 波分复用器件 154
7.4.3 微环传感器 155
7.4.4 微环激光器 159
7.4.5 微环光调制器 160
7.4.6 微环光开关 161
7.5 本章小结 162
参考文献 162
第8章 基于表面等离子体结构的纳米光集成 164
8.1 引言 164
8.2 表面等离子体的基本性质 166
8.2.1 金属的色散模型 166
8.2.2 金属/介质单界面上的表面等离子体 169
8.2.3 多层结构中的表面等离子体 175
8.3 表面等离子体在亚波长光集成中的应用 184
8.3.1 金属纳米颗粒阵列波导 184
8.3.2 长程表面等离子体器件 186
8.3.3 MIM波导及器件 187
8.4 本章 讨论与展望 192
参考文献 194
第9章 光子晶体波导及器件 197
9.1 光子晶体简介 197
9.1.1 光子晶体的概念 197
9.1.2 光子晶体的应用 197
9.2 光子晶体波导 199
9.2.1 二维平板光子晶体 199
9.2.2 光子晶体平板波导 200
9.2.3 基于光子晶体波导的基本单元 202
9.3 基于光子晶体波导的新型集成器件 204
9.3.1 光子晶体功分器 204
9.3.2 光子晶体波分复用器 206
9.3.3 光子晶体光开关 207
9.3.4 光子晶体慢波波导 208
9.3.5 光子晶体高Q值微腔 211
9.4 光子晶体波导的制作 213
9.5 本章小结与讨论 215
参考文献 216
第10章 硅光子学 218
10.1 概述 218
10.2 半导体物理基础 219
10.2.1 晶体 219
10.2.2 能带及材料的分类 219
10.2.3 电子的跃迁和空穴 221
10.2.4 直接带隙和间接带隙半导体 222
10.2.5 硅材料的特性 222
10.3 硅基拉曼激光器 223
10.3.1 拉曼散射和受激拉曼散射 223
10.3.2 双光子吸收和自由载流子吸收 224
10.3.3 硅基拉曼激光器 225
10.4 硅基电光调制器 227
10.4.1 自由载流子等离子色散效应 227
10.4.2 基于马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基电光调制器 228
10.4.3 基于微环谐振器结构的硅基电光调制器 229
10.5 硅基光电探测器 231
10.5.1 硅基锗探测器 231
10.5.2 硅基离子注人探测器 232
10.5.3 波导和探测器的耦合 233
10.6 硅和Ⅲ-V族材料的混合集成 234
10.7 本章小结 235
参考文献 235