本书是在智能光子学创新中心所作的系列讲座基础上整理而成的讲稿，由二十个专题组成，专题之间有一定的独立性。智能光子学创新中心是依托华中科技大学武汉光电国家研究中心和湖北光谷实验室成立的、以光子学器件领域相关的基础和应用基础研究为主要研究对象的研究团队。研究团队以增强光与物质相互作用为主要科学问题，从材料、机理、结构、集成工艺以及系统应用方面开展研究，主要有光计算、集成微系统、超快光学测量和纳米光子学器件等四个研究方向。本书充分发挥研究团队成员不同的学科专业背景，试图讲解清楚光子学器件研究领域热点研究方向的基本概念、典型应用和发展趋势。

本书可供从事光子学器件研究的高年级本科生、研究生和专业技术人员提供一些借鉴和帮助作用。

前辅文
第1讲 光子学器件研究中的基本概念
  1.1 光子学概述
  1.2 光子学器件研究的一般性规律
   1.2.1 光场传播特性的描述
   1.2.2 工作介质的复折射率
   1.2.3 光子学器件的典型结构
  1.3 复折射率实部——材料折射率/有效折射率/群折射率
   1.3.1 群速度和相速度
   1.3.2 材料折射率
   1.3.3 有效折射率
   1.3.4 群折射率
  1.4 复折射率虚部——增益与损耗
   1.4.1 增益过程
   1.4.2 损耗及其分类
  1.5 色散
   1.5.1 色散概述
   1.5.2 色散调控
  1.6 光学非线性效应
   1.6.1 非线性效应概述
   1.6.2 电光效应
   1.6.3 磁光效应
   1.6.4 声光效应
   1.6.5 二阶非线性效应
   1.6.6 三阶非线性效应
  1.7 光子学器件建模
   1.7.1 半导体有源光电器件建模
   1.7.2 超短光脉冲在光波导中的长距离传输模型
   1.7.3 微谐振腔动态特性模拟
  1.8 本讲小结
第2讲 光子学器件研究中的基本问题
  2.1 信息系统对光子学器件的要求
  2.2 更高——更高效率
   2.2.1 半导体激光器转换效率的提升
   2.2.2 光电探测器转换效率的提升
  2.3 更快——更快响应
   2.3.1 调制器
   2.3.2 调制器工作带宽的提升
   2.3.3 高阶调制格式提升信号传输速率
  2.4 更强——更强相互作用
   2.4.1 非线性效应
   2.4.2 非线性效应增强
   2.4.3 非线性增强的相关工作
  2.5 更低——更低功耗
   2.5.1 降低集成波导损耗的方法
   2.5.2 降低波导的耦合损耗的方法
   2.5.3 全光信号处理
  2.6 更小——更小体积
   2.6.1 光子集成以及光子集成度
   2.6.2 基于表面等离激元的小尺寸器件
  2.7 本讲小结
第3讲 平面光波导模式分析理论与应用
  3.1 光波导基本概念
   3.1.1 什么是光波导
   3.1.2 光波导的分类
   3.1.3 光波导的模式
  3.2 介质平板光波导的射线光学分析方法
  3.3 平面光波导的波动光学分析方法
   3.3.1 光波导中的场方程
   3.3.2 波动方程
   3.3.3 平板光波导模式的波动光学分析
   3.3.4 矩形光波导模式的波动光学分析：马卡梯里近似法
   3.3.5 矩形光波导模式的波动光学分析：有效折射率法
  3.4 本讲小结
第4讲 耦合模理论及其在器件设计中的应用
  4.1 耦合模方程
  4.2 两个波导之间的定向耦合
  4.3 周期性波导中导模的反向耦合
  4.4 微腔-波导系统的时域耦合模理论
  4.5 波导与波导的端到端耦合
   4.5.1 波导与波导的水平端面耦合
   4.5.2 波导与波导的垂直光栅耦合
  4.6 本讲小结
第5讲 量子力学基本概念及其导波光学对应
  5.1 量子力学简介
   5.1.1 量子力学研究什么
   5.1.2 量子力学的成就
   5.1.3 量子力学年谱
  5.2 经典物理学中存在的问题及量子力学的建立
   5.2.1 黑体辐射
   5.2.2 原子稳定性
   5.2.3 光电效应
   5.2.4 波粒二象性
  5.3 波函数与薛定谔方程
   5.3.1 量子力学的五条基本假设
   5.3.2 不确定度关系
   5.3.3 波函数
   5.3.4 薛定谔方程
   5.3.5 能量本征方程
  5.4 在几个典型体系中的应用
   5.4.1 一维无限深方势阱
   5.4.2 态叠加原理
   5.4.3 方势垒的反射与透射
   5.4.4 中心力场问题
   5.4.5 无限深球方势阱的能量分布
   5.4.6 氢原子的能量分布
  5.5 量子力学与导波光学的对应
   5.5.1 一维有限深方势阱（直角坐标系）与平板波导的对应
   5.5.2 菲涅耳公式的量子对应
   5.5.3 一维有限深方势阱中的能量本征值问题
   5.5.4 二维有限深方势阱（直角坐标系）与矩形波导的对应
   5.5.5 三维有限深柱方势阱（极坐标系）与光纤波导的对应
   5.5.6 三维有限深球方势阱（球坐标系）与微球谐振腔的对应
  5.6 本讲小结
第6讲 表面等离激元波导器件
  6.1 表面等离子体光子学中的基本概念
  6.2 表面等离激元波导
   6.2.1 表面等离激元狭缝波导
   6.2.2 混合表面等离激元波导
  6.3 表面等离激元波导中的非线性效应分析模型
   6.3.1 非线性耦合波方程的推导
   6.3.2 模型的正确性和必要性
   6.3.3 PSW和介质狭缝波导非线性效应对比
  6.4 本讲小结
第7讲 PT对称破缺的基本原理和应用
  7.1 对称性简介
   7.1.1 普遍存在的对称性
   7.1.2 马路平移对称性破缺及其解决方案
   7.1.3 对称性的重要意义
  7.2 光学系统对称性的物理含义及数学描述
   7.2.1 对称性的一般性物理数学描述
   7.2.2 波导体系的哈密顿量
   7.2.3 光子晶体
  7.3 PT对称光学的物理模型及数学描述
   7.3.1 PT对称耦合波导系统：非厄米体系
   7.3.2 PT对称破缺点：exceptional point
   7.3.3 光学系统的PT对称破缺的内涵
  7.4 PT对称光学的相关应用
   7.4.1 光学实现EP的实验
   7.4.2 高阶EP的实现
   7.4.3 EP在激光器上的应用
   7.4.4 EP导致的非对称模式转换和非对称传输
   7.4.5 EP在传感器上的应用
   7.4.6 缺陷系统中的EP
  7.5 本讲小结
第8讲 光学超构表面的基本原理与光场调控应用
  8.1 引言
  8.2 超构表面的基本原理
   8.2.1 广义斯涅耳定律
   8.2.2 超构表面的基本设计方法
   8.2.3 基于超构表面的高维光场参量协同调控
   8.2.4 功能复用器件
  8.3 超构表面的光场调控应用
   8.3.1 空间域调控
   8.3.2 时间域调控
   8.3.3 波导集成
  8.4 本讲小结
第9讲 光纤中非线性效应：基础理论与仿真
  9.1 光纤的发展和非线性效应的产生
   9.1.1 什么是光纤
   9.1.2 光纤通信系统发展的里程碑
   9.1.3 香农极限下的光纤通信系统
   9.1.4 非线性光学现象的产生
   9.1.5 光纤中的非线性效应
  9.2 光纤的基本特性及传播方程
   9.2.1 光纤损耗
   9.2.2 光纤中的色散
   9.2.3 光纤中的非线性效应
   9.2.4 光纤中的基本传播方程
  9.3 光纤中的非线性效应
   9.3.1 非线性克尔效应
   9.3.2 参量混频过程
   9.3.3 受激非弹性散射
  9.4 光纤数值仿真模型
   9.4.1 光场的时域-频域表达
   9.4.2 分步傅里叶法
  9.5 本讲小结
第10讲 参量放大技术中的物理问题及典型应用
  10.1 参量过程简介
  10.2 参量放大问题的简谐振子模型
  10.3 光学参量过程的来源
  10.4 二阶参量过程
   10.4.1 耦合波方程
   10.4.2 能量守恒关系
   10.4.3 相位匹配方法
  10.5 三阶参量过程
   10.5.1 自相位调制和非线性折射率
   10.5.2 交叉相位调制
   10.5.3 四波混频
   10.5.4 二阶和三阶参量过程对比
  10.6 参量放大技术的典型应用
  10.7 本讲小结
第11讲 光纤光栅：理论、设计及应用
  11.1 光纤光栅简介
   11.1.1 引言
   11.1.2 光纤光栅的分类
   11.1.3 光纤光栅的制作方法
   11.1.4 光纤光栅的刻写光源
  11.2 光纤光栅工作原理及理论
   11.2.1 光纤光栅射线光学工作原理
   11.2.2 光纤光栅耦合模理论
   11.2.3 传输矩阵法
  11.3 光纤光栅的特性与设计
   11.3.1 切趾光纤光栅
   11.3.2 相移光纤光栅
   11.3.3 取样光纤光栅
   11.3.4 啁啾光纤光栅
   11.3.5 光栅干涉结构
   11.3.6 长周期光纤光栅设计
   11.3.7 相位调制透射型光纤光栅设计
  11.4 光纤光栅的应用
   11.4.1 光纤光栅在光通信中的应用
   11.4.2 光纤光栅在激光器中的应用
   11.4.3 光纤光栅在传感中的应用
  11.5 本讲小结
第12讲 信号分析方法：理论与应用
  12.1 信号与系统简介
  12.2 时域分析方法及应用
   12.2.1 卷积公式推导
   12.2.2 卷积的应用举例
  12.3 傅里叶级数与傅里叶变换
   12.3.1 傅里叶级数
   12.3.2 傅里叶级数的光学应用
   12.3.3 傅里叶变换的推导
   12.3.4 傅里叶变换的应用
  12.4 傅里叶变换的性质及其在光子学中的应用
   12.4.1 傅里叶变换的性质
   12.4.2 傅里叶变换对偶性的应用
   12.4.3 傅里叶变换时移特性的应用
   12.4.4 傅里叶变换频移特性的应用
   12.4.5 系统函数的应用
   12.4.6 滤波器的应用
  12.5 本讲小结
第13讲 光学调制与解调——原理、器件和技术
  13.1 光纤通信的基本概念
   13.1.1 应用于光纤通信系统中的调制格式
   13.1.2 调制格式和复用技术的研究意义
  13.2 光学调制
   13.2.1 光调制原理和器件
   13.2.2 各种光调制格式的产生
  13.3 光学解调
   13.3.1 光接收机及光电探测器
   13.3.2 直接探测和相干探测
   13.3.3 相干探测的基本原理
  13.4 本讲小结
第14讲 微波光子学基础理论及应用
  14.1 微波光子技术简介
   14.1.1 引言
   14.1.2 微波信号的产生
   14.1.3 微波信号的处理
   14.1.4 微波信号的传输
  14.2 微波光子系统的关键参数
   14.2.1 散射矩阵
   14.2.2 噪声分析
   14.2.3 非线性失真分析
  14.3 微波光子链路的关键器件
   14.3.1 相位调制器
   14.3.2 马赫-曾德尔调制器
   14.3.3 偏振调制器
  14.4 微波光子学子系统及应用
   14.4.1 光电振荡器
   14.4.2 微波光子滤波器
   14.4.3 传感及测量
   14.4.4 雷达成像
  14.5 本讲小结
第15讲 光学矩阵计算基础理论和应用
  15.1 光学矩阵计算简介
  15.2 微环阵列矩阵核
  15.3 MZI网络矩阵核
  15.4 多平面光转换矩阵核
  15.5 应用进展和总结展望
第16讲 光谱分析技术基本原理与应用
  16.1 光谱分析基本原理
   16.1.1 光谱产生机理
   16.1.2 主要技术指标
   16.1.3 主要工作类型
   16.1.4 发展趋势
  16.2 时域光谱分析技术
   16.2.1 应用背景
   16.2.2 基于时域拉伸的高速光谱分析
   16.2.3 基于时域透镜的高速光谱分析
  16.3 基于光频梳的高分辨光谱分析技术
   16.3.1 应用背景
   16.3.2 光频梳理论
   16.3.3 双光频梳光谱分析技术
  16.4 本讲小结
第17讲 时间分辨荧光光谱和瞬态吸收光谱——原理及应用
  17.1 时间分辨光谱概述
   17.1.1 稳态和瞬态光谱
   17.1.2 瞬态光谱的分类
  17.2 时间分辨荧光光谱（TRPL）
   17.2.1 载流子的微观动力学过程
   17.2.2 载流子复合与寿命
   17.2.3 TRPL的测量方法
   17.2.4 TRPL的数据分析
   17.2.5 TRPL的典型应用
  17.3 瞬态吸收
   17.3.1 瞬态吸收原理
   17.3.2 瞬态吸收应用
  17.4 本讲小结
第18讲 半导体吸收光谱与光致发光谱
  18.1 半导体的基本性质
   18.1.1 能带结构
   18.1.2 声子
   18.1.3 电-声子相互作用
  18.2 半导体中的吸收光谱
   18.2.1 光与物质相互作用过程的宏观描述-物质中的麦克斯韦方程组
   18.2.2 光与物质相互作用过程的微观描述——自发吸收、自发辐射和受激辐射
   18.2.3 半导体中吸收系数的计算——量子理论
   18.2.4 半导体中吸收光谱的测量
   18.2.5 半导体中吸收光谱的应用
  18.3 半导体的光致发光光谱
   18.3.1 光致发光的基本理论
   18.3.2 测量仪器
   18.3.3 光致发光谱的应用
  18.4 本讲小结
第19讲 散射型近场显微镜的原理及应用
  19.1 近场光学显微镜概念
  19.2 散射型扫描近场光学显微镜原理
   19.2.1 针尖-样品相互作用
   19.2.2 近场信号解调
  19.3 s-SNOM研究进展
   19.3.1 近场局域介电性质研究
   19.3.2 纳米红外傅里叶变换光谱（nano-FTIR）技术研究
   19.3.3 极化激元近场光学研究
   19.3.4 双曲超表面近场光学研究
  19.4 本讲小结
第20讲 半导体材料和器件光学和电学性能测试和表征
  20.1 半导体的电学特性
   20.1.1 半导体的电阻率及其测试
   20.1.2 半导体的迁移率及其测试
  20.2 半导体的能级结构测定
  20.3 半导体的光学特性
   20.3.1 椭偏仪-薄膜厚度和光学常数测试
   20.3.2 半导体吸收和发光
   20.3.3 两类典型光电转换器件：太阳能电池和发光二极管
  20.4 半导体光电器件中的缺陷和复合
  20.5 本讲小结