目錄
第1章 緒言 1
1.1 什么是光子學 1
1.2 什么是計算光子學 3
1.2.1 計算光子學和計算電磁學的方法 3
1.2.2 計算納米光子學 3
1.2.3 光電商用軟件一覽 4
1.3 光纖通信 5
1.3.1 光纖通信的簡介 5
1.3.2 通信簡史 5
1.3.3 光纖的發(fā)展 8
1.3.4 與電傳輸?shù)谋容^ 9
1.3.5 管理標準 10
1.3.6 波分復用 10
1.3.7 孤子 11
1.4 生物和醫(yī)學光子學 12
1.5 光子傳感器 12
1.6 硅光子學 13
1.7 光量子信息科學 13
參考文獻 13
第2章 光學的基本知識 17
2.1 幾何光學 17
2.1.1 射線理論及其應(yīng)用 17
2.1.2 臨界角 18
2.1.3 透鏡 19
2.1.4 折射率梯度變化系統(tǒng) 20
2.2 波動光學 21
2.2.1 相速度 23
2.2.2 群速度 23
2.2.3 斯托克斯關(guān)系 25
2.2.4 電介質(zhì)薄膜中的干涉 26
2.2.5 平板中光束的多次干涉 28
2.2.6 法布里珀羅干涉儀 30
2.3 習題 31
附錄2A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 32
參考文獻 35
第3章 電磁學基礎(chǔ) 36
3.1 麥克斯韋方程組 36
3.2 邊界條件 37
3.2.1 電場邊界條件 38
3.2.2 磁場邊界條件 39
3.3 波動方程 40
3.4 時諧場 40
3.5 偏振波 43
3.5.1 線偏振波 43
3.5.2 圓偏振和橢圓偏振波 44
3.6 菲涅耳系數(shù)和相位 45
3.6.1 TE偏振 46
3.6.2 TM偏振 49
3.7 電介質(zhì)界面反射造成的偏振 50
3.8 抗反射涂層 52
3.9 布拉格鏡 57
3.10 古斯?jié)h欣位移 62
3.11 坡印亭定理 63
3.12 習題 64
3.13 課題 65
附錄3A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 65
參考文獻 68
第4章 平板波導 69
4.1 平板波導的射線光學 69
4.1.1 數(shù)值孔徑 69
4.1.2 導波模式 70
4.1.3 橫向共振條件 71
4.1.4 橫向條件歸 化形式 72
4.2 電介質(zhì)波導的電磁學理論基礎(chǔ) 74
4.2.1 一般性討論 74
4.2.2 通用方程的簡約形式 76
4.3 平面寬波導的波動方程 77
4.4 三層對稱的導波結(jié)構(gòu)(TE模式) 78
4.4.1 算法 81
4.5 維任意三層不對稱平面波導的模式 81
4.5.1 TE模式 81
4.5.2 TE模式的場分布 83
4.6 一維方法處理多層平板波導 86
4.6.1 TE模式 86
4.6.2 傳播常數(shù) 89
4.6.3 電場 91
4.6.4 TM模式 91
4.7 一維方式的實例 92
4.7.1 四層無衰減波導 92
4.7.2 六層耗散波導 92
4.7.3 維瑟結(jié)構(gòu) 94
4.8 二維結(jié)構(gòu) 95
4.9 習題 98
4.10 課題 98
附錄4A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 99
參考文獻 113
第5章 線性光纖和信號退化 115
5.1 幾何光學概述 115
5.1.1 數(shù)值孔徑(NA) 116
5.1.2 多路徑色散 117
5.1.3 光纖的信息運載能力 117
5.1.4 硅光纖的損耗機制 118
5.1.5 固有損耗 119
5.1.6 外在損耗 119
5.2 柱坐標中的光纖模式 119
5.2.1 柱坐標中的麥克斯韋方程 120
5.2.2 柱坐標的波動方程 121
5.2.3 柱坐標中波動方程的解 122
5.2.4 邊界條件和模式方程 125
5.2.5 模式分類 126
5.2.6 幾種導波模式和它們的特征方程 126
5.2.7 弱導波近似 129
5.2.8 基模HE11的通用關(guān)系 131
5.2.9 單模光纖的截止波長 132
5.2.10 單模光纖中的電場分布 134
5.3 色散 136
5.3.1 群延時的概論 136
5.3.2 材料色散：謝米爾方程 137
5.3.3 波導色散 138
5.4 傳播中的脈沖色散 139
5.5 習題 141
5.6 課題 141
附錄5A：貝塞爾函數(shù)的特性 141
附錄5B：特征行列式 142
附錄5C：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 144
參考文獻 155
第6章 線性脈沖的傳播 157
6.1 基本脈沖 157
6.1.1 矩形脈沖 157
6.1.2 高斯脈沖 159
6.1.3 超高斯脈沖 160
6.1.4 啁啾高斯脈沖 160
6.2 半導體激光器的調(diào)制 161
6.2.1 調(diào)制制式 162
6.2.2 波形的建立 164
6.3 存在色散時脈沖傳播方程的簡單推導 165
6.4 線性脈沖的數(shù)學理論 167
6.5 脈沖的傳播 171
6.5.1 啁啾高斯脈沖傳播的分析 171
6.5.2 傅里葉變換的數(shù)值方法 172
6.5.3 傅里葉分步變換法 174
6.6 習題 176
附錄6A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 176
參考文獻 189
第7章 光源 190
7.1 激光器的概論 190
7.1.1 TLS中的躍遷 192
7.1.2 激光振蕩和諧振模式 193
7.2 半導體激光器 195
7.2.1 半導體中的電子躍遷 197
7.2.2 同質(zhì)pn結(jié) 199
7.2.3 異質(zhì)結(jié)構(gòu) 200
7.2.4 光學增益 202
7.2.5 確定光增益 203
7.3 速率方程 205
7.3.1 載流子 206
7.3.2 光子 206
7.3.3 速率方程參數(shù) 207
7.3.4 電場速率方程的推導 208
7.4 速率方程的分析 211
7.4.1 穩(wěn)態(tài)分析 211
7.4.2 線性增益模式的小信號分析 211
7.4.3 增益飽和時的小信號分析 213
7.4.4 量子阱激光器的大信號分析 216
7.4.5 頻率啁啾 216
7.4.6 等效電路模式 217
7.4.7 體激光器的等效電路 217
7.5 激光調(diào)Q技術(shù) 220
7.6 習題 221
7.7 課題 221
附錄7A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 221
參考文獻 230
第8章 光放大器相摻鉺光纖放大器 233
8.1 一般特性 235
8.1.1 增益譜和帶寬 235
8.1.2 增益飽和 237
8.1.3 放大器噪聲 238
8.2 摻鉺光纖放大器(EDFA) 239
8.2.1 穩(wěn)態(tài)分析 241
8.2.2 有效的二能級方法 241
8.3 摻鉺光纖放大器的增益特性 242
8.4 習題 244
8.5 課題 245
附錄8A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 245
參考文獻 252
第9章 半導體光放大器(SOA) 254
9.1 一般性討論 254
9.1.1 具有小端面反射率的SOA增益公式 255
9.1.2 小端面反射率的影響 258
9.2 SOA脈沖傳播速率方程 259
9.3 SOA的設(shè)計 262
9.4 SOA的應(yīng)用 264
9.4.1 波長轉(zhuǎn)換 264
9.4.2 基于干涉原理的全光學邏輯 265
9.5 習題 266
9.6 課題 267
附錄9A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 267
參考文獻 268
第10章 光接收器件 270
10.1 主要特征 271
10.1.1 接收器靈敏度 271
10.1.2 動態(tài)范圍 271
10.1.3 比特率透明度 271
10.1.4 比特圖的獨立性 271
10.2 光檢測器 271
10.2.1 光檢測原理 272
10.2.2 光檢測器的性能參數(shù) 275
10.2.3 光檢測器噪聲 277
10.2.4 檢測器的設(shè)計 279
10.3 接收器之分析 280
10.3.1 理想光接收器的比特誤差 281
10.3.2 接收器的誤差概率 282
10.3.3 比特誤碼率和高斯噪聲 284
10.4 光電接收器的建模 287
10.5 習題 287
10.6 課題 287
附錄10A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 288
參考文獻 289
第11章 時域有限差分法 291
11.1 通用公式 291
11.1.1 三維公式 292
11.1.2 二維公式 292
11.1.3 一維模型 293
11.1.4 高斯脈沖和調(diào)制高斯脈沖 294
11.2 無色散時的一維葉氏算法 295
11.2.1 無損耗情況 295
11.2.2 確定網(wǎng)格尺度 297
11.2.3 色散與穩(wěn)定性 298
11.2.4 穩(wěn)定性判據(jù) 300
11.2.5 維有損耗模式 300
11.3 一維邊界條件 301
11.3.1 穆爾一階吸收邊界條件(ABC) 301
11.3.2 一 維二階邊界條件 303
11.4 二維無色散的葉氏算法 305
11.5 二維吸收邊界條件 307
11.6 色散 309
11.7 習題 310
11.8 課題 310
附錄11A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 311
參考文獻 317
第12章 波束傳播法(BPM) 318
12.1 傍軸會式 319
12.1.1 引言 319
12.1.2 運算子和 320
12.1.3 傅里葉變換分步法的實施 321
12.2 一般理論 323
12.2.1 緒論 323
12.2.2 慢變化包絡(luò)近似(SVEA) 325
12.2.3 半矢量BPM 327
12.2.4 標量公式 327
12.2.5 有限差分(FD)近似 327
12.3 1+1維有限差分波束傳播法公式 328
12.3.1 簡單近似 329
12.3.2 傳播運算子方法 329
12.3.3 透明邊界條件 334
12.4 結(jié)束語 336
12.5 習題 337
12.6 課題 337
附錄12A：FD-BPM方程的推導細節(jié) 337
附錄12B：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 340
參考文獻 345
第13章 波分復用(WDM)器件 347
13.1 WDM系統(tǒng)之基本 347
13.2 基本的WDM技術(shù) 348
13.2.1 光纖布拉格光柵 348
13.2.2 陣列波導柵格 349
13.2.3 耦合器和分束器 349
13.2.4 無源耦合器的數(shù)學理論 350
13.2.5 光隔離器 354
13.3 BPM在光電器件中的應(yīng)用 354
13.4 課題 355
附錄13A 本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 356
參考文獻 362
第14章 光鏈路 364
14.1 光通信系統(tǒng) 364
14.2 設(shè)計光鏈路 365
14.2.1 功率預算分析 366
14.2.2 上升時間預算 367
14.3 測量光鏈路性能 368
14.4 線性系統(tǒng)的光濾波器 370
14.5 基于濾波功能的光鏈路模式 372
14.5.1 方脈沖的試驗分析 372
14.5.2 發(fā)射器 373
14.5.3 光纖 374
14.5.4 接收器 375
14.5.5 光鏈路模型的實現(xiàn) 375
14.6 習題 376
14.7 課題 376
附錄14A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 376
參考文獻 381
第15章 光孤子 384
15.1 非線性光學極化率 384
15.2 主要的非線性效應(yīng) 385
15.2.1 克爾效應(yīng) 385
15.2.2 受激拉曼散射 386
15.3 非線性薛定諤方程的推導 386
15.4 分步傅里葉方法 390
15.4.1 分步傅里葉變換法 392
15.4.2 對稱分步傅里葉變換法 393
15.5 數(shù)值結(jié)果 393
15.5.1 單孤子 394
15.5.2 啁啾孤子波 395
15.5.3 兩個相互作用的孤子波 395
15.6 基于孤子通信的幾個結(jié)論 396
15.7 習題 397
附錄15A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 397
參考文獻 399
第16章 光伏電池 401
16.1 引言 401
16.2 光伏電池原理 403
16.3 光伏電池的等效電路 406
16.3.1 基本模型 406
16.3.2 其他模犁 407
16.4 多結(jié)光伏電池 409
16.4.1 多結(jié)量子點 410
16.4.2 中間帶光伏電池 410
16.4.3 數(shù)值仿真的作用 411
附錄16A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 412
參考文獻 414
第17章 超材料 416
17.1 引言 416
17.1.1 超材料簡史 418
17.2 韋謝拉戈方法 419
17.2.1 波動方程 419
17.2.2 左手材料 420
17.2.3 光線的折射 420
17.3 如何構(gòu)造超材料 421
17.3.1 在微波下超材料具有負有效介電常數(shù) 421
17.3.2 磁學性能：開口環(huán)振蕩器(SRR) 423
17.4 超材料的 些應(yīng)用 427
17.4.1 完美透鏡 427
17.4.2 在超材料中的靜止光 427
17.4.3 隱形偽裝 429
17.4.4 光學黑洞 430
17.5 有源超材料 431
17.6 特別加注的參考書目 431
附錄17A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 432
參考文獻 434
第18章 光子及其量子特性和應(yīng)用 437
18.1 光子 437
18.1.1 光子與基本粒子 437
18.1.2 光子的基本參數(shù) 439
18.1.3 光子的能量和動量 440
18.1.4 光子的波粒兩重性 440
18.2 光的量子糾纏 441
18.3 光的量子密鑰分發(fā) 443
18.3.1 量子密鑰交換 443
18.3.2 量子密鑰分發(fā)協(xié)議 443
18.4 光的量子雷達 446
18.5 光量子計算機 448
18.5.1 光計算機與光量子計算機 448
18.5.2 量子算法和編程 449
18.5.3 量子計算機的實現(xiàn)難度 450
附錄18A：本章Matlab的函數(shù)清單和代碼 450
參考文獻 453
附錄AMatlab的基本知識 455
A.1 m-文件的工作部分 456
A.2 基本法則 458
A.3 Matlab編程中的良好習慣 459
A.3.1 預置內(nèi)存 460
A.3.2 矢量化的循環(huán) 460
A.4 作圖之基本 461
A.4.1 二維作圖之基本 461
A.4.2 二維作圖 461
A.4.3 三維作圖和動畫作圖 465
A.5 基本的輸入輸出 473
A.5.1 寫入文件 473
A.5.2 讀出文件 474
A.6 數(shù)值微分法 474
A.7 復習問題 476
參考文獻 476
附錄B 基本數(shù)值方法總結(jié) 477
B.1 單變量的牛頓法 477
B.2 穆勒法 478
B.3 數(shù)值微分 482
B.3.1 利用泰勒級數(shù)展開的數(shù)值微分 483
B.3.2 插入多項式的數(shù)值微分 484
B.3.3 克儂克-尼科爾森法 486
B.3.4 數(shù)值微分的簡單方法 486
B.4 龍格庫塔(RK)法 489
B.4.1 二階龍格庫塔法 489
B.4.2 四階龍格庫塔法 490
B.5 求解算微分萬程 490
B.5.1 單個微分方程 490
B.5.2 微分方程系統(tǒng) 491
B.6 數(shù)值積分 493
B.6.1 歐拉法 493
B.6.2 梯形法則 493
B.6.3 辛普森法則 494
B.7 Matlab符號積分法 495
B.8 傅里葉級數(shù) 495
B.8.1 改變積分區(qū)間 496
B.8.2 實例 497
B.9 傅里葉變換 498
B.10 Matlab中的FFT 500
B.11 習題 503
參考文獻 503
附錄C 本書Matlab清單的作圖總匯 504
附錄D 有關(guān)“光量子學”的視頻節(jié)目 515
索引 519
本書Matlab函數(shù)名及關(guān)鍵詞索引 526