本书汇总了作者团队近年来在微纳光子器件研究领域的最新研究成果，系统介绍纳米光子器件的工作原理、设计方法、模拟仿真手段、制作工艺、测试流程，以及应用领域等，并就深度学习、神经网络、梯度下降、启发式算法，包括遗传算法、二元搜索算法、粒子群优化等AI设计算法在微纳光子器件设计领域的应用展开讨论。本书按照微纳光子器件的种类和应用组织撰写，第一部分硅基片上微纳光子器件，包括第1章～第4章，主要介绍亚波长光栅耦合器、分束器、滤波器等。第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件，包括第5章～第8章，主要介绍石墨烯太赫兹波束调控器件。第三部分超表面和光子晶体器件，包括第9章～第12章，主要介绍超透镜、混合材料超表面等。第四部分微纳光子器件的智能算法设计，包括第13章和第14章，主要介绍智能算法所设计的分束器等。第五部分微纳光子器件的应用，包括第15章～第18章，主要介绍光量子与热伪装方面的应用。
本书可作为高等院校电子学、光电子学、物理电子学、微电子与固体电子学、光学工程、通信与信息系统、计算机技术等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可供相关领域的研究人员和工程技术人员参考。

杨俊波
中国人民解放军国防科技大学教授，博士生导师，国防科技大学学习成才先进个人，科技委基础加强重点项目首席科学家，教育部新世纪优秀人才，美国哥伦比亚大学、东北大学和新加坡南洋理工大学合作研究学者，湖南省光学学会理事，全军军用光电标准委员会委员，享受军队专业技术人才二类津贴，获得军队科技进步三等奖（排名第一）。主持国家863计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、装备发展部装备预研领域基金重点项目、科技委基础加强项目和国防科技创新特区项目等20余项。以第一或通讯作者发表SCI/EI收录论文共计180余篇，研究成果入选2011中国光学重要成果，进入ESI前1%、2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。

第一部分 硅基片上微纳光子器件
第1章 耦合器理论
1.1 引言
1.2 波导光栅器件设计理论
1.2.1 波导光栅结构
1.2.2 布拉格条件
1.2.3 波矢图
1.3 严格耦合波解析方法
1.4 FDTD数值方法
参考文献
第2章 硅基波导模斑转换器
2.1 引言
2.2 基本原理和设计方案
2.2.1 相位补偿原理
2.2.2 设计与优化
2.3 基于光学透镜的锥形模斑转换器
2.4 拓展延伸
2.5 本章小结
参考文献
第3章 偏振相关波导器件
3.1 引言
3.2 定向耦合型TM偏振起偏器及分束器的研究
3.2.1 研究背景
3.2.2 设计TM型偏振起偏器的基本原理
3.2.3 定向耦合器的基本原理
3.2.4 设计TM型偏振器参数优化
3.2.5 本节小结
3.3 偏振不敏感MMI分束器
3.3.1 研究背景
3.3.2 自成像原理
3.3.3 多模干涉耦合器的干涉模式
3.3.4 多模干涉耦合器的设计
3.3.5 本节小结
3.4 本章总结
参考文献
第4章 硅基波导光栅耦合器的设计
4.1 引言
4.2 阶梯型波导光栅耦合器的设计及模拟
4.3 二元闪耀光栅耦合器的设计及模拟
4.3.1 等效介质膜理论
4.3.2 二元闪耀光栅占空比
4.3.3 二元闪耀光栅的设计及数值模拟
4.4 对称式全刻蚀啁啾型亚波长二元闪耀光栅分束器
参考文献
第二部分 石墨烯太赫兹波束调控器件
第5章 石墨烯电磁特性及波束调控原理
5.1 引言
5.2 石墨烯的电磁特性
5.2.1 石墨烯的能带结构
5.2.2 石墨烯的电导率
5.2.3 石墨烯的可调谐特性
5.2.4 石墨烯的表面等离激元
5.3 广义斯内尔定律
5.4 涡旋光束的基本原理
5.4.1 涡旋光束的性质
5.4.2 涡旋光束的产生方法
5.5 有限元算法简介
5.6 本章小结
参考文献
第6章 基于单电极调控的波束摆扫与动态聚焦器件
6.1 引言
6.2 波束调控器件研究现状
6.3 非均匀周期性结构的特性分析
6.3.1 结构单元特性分析
6.3.2 绝缘介质层厚度的优化
6.3.3 传统设计方法的缺陷
6.4 单电极调控的波束摆扫器件
6.4.1 单电极控制的波束摆扫器件设计
6.4.2 不同尺寸器件的性能对比
6.4.3 波束摆扫器的宽带特性分析
6.5 单电极调控的可变焦超透镜
6.5.1 可变焦超透镜的设计
6.5.2 可变焦超透镜的可调特性分析
6.5.3 可变焦超透镜的宽带特性分析
6.6 本章小结
参考文献
第7章 基于开口谐振环的可调偏振转换与波束调控器件
7.1 引言
7.2 可调偏振转换超材料的研究现状
7.3 超薄的可调偏振转换器件
7.3.1 结构设计与响应特性分析
7.3.2 偏振转换原理分析
7.3.3 偏振转换效率的可调性
7.4 偏振转换与分束器件
7.4.1 开口谐振环的相位特性分析
7.4.2 偏振分束器的结构设计与分析
7.5 偏振转换与聚焦器件
7.5.1 偏振聚焦超透镜设计
7.5.2 偏振聚焦超透镜特性分析
7.6 本章小结
参考文献
第8章 基于交叉形结构的可调涡旋光生成器件
8.1 引言
8.2 基于超表面方式产生涡旋光的机理分析
8.3 交叉形谐振单元的提出与特性分析
8.3.1 常规设计结构的缺陷
8.3.2 交叉形谐振结构单元的提出
8.3.3 交叉结构谐振单元的特性分析
8.4 不可调控涡旋光生成器设计
8.4.1 不可调控螺旋相位板的结构设计
8.4.2 不可调涡旋光生成器的效果分析
8.5 可调控涡旋光束生成器设计
8.5.1 可调螺旋相位板的参数选取
8.5.2 可调涡旋光束生成器效果分析
8.6 本章小结
参考文献
第三部分 超表面和光子晶体器件
第9章 基于相变材料的近红外可调平面透镜
9.1 引言
9.2 设计方法
9.2.1 几何相位原理
9.2.2 相变材料调控
9.2.3 单元结构设计
9.2.4 平面透镜设计
9.3 平面透镜调控效果
9.3.1 平面透镜开关调控效果
9.3.2 平面透镜连续调控效果
9.4 平面透镜宽带特性与鲁棒性
9.4.1 平面透镜宽带特性
9.4.2 平面透镜鲁棒性
9.5 本章小结
参考文献
第10章 中红外动态可调平面透镜阵列
10.1 引言
10.2 相变材料GST可调平面透镜阵列
10.2.1 材料与设计方法
10.2.2 可调平面透镜阵列
10.3 VO2平面透镜阵列
10.3.1 单元结构设计
10.3.2 VO2可调平面透镜阵列调控效果
10.4 本章小结
参考文献
第11章 基于混合材料超表面的可调电磁感应透明效应