《計算光子學——MATLAB導論》是2015年科學出版社出版的圖書
基本介紹
- ISBN：9787030444066
- 出版時間：2015-06-01
內容簡介,目錄,
內容簡介
《計算光子學——MATLAB導論》是光電子學和光電器件理論系統化和計算圖像化的新專著《計算光子學——MATLAB導論》從光學和電磁場基礎理論講起，逐一討論了雷射束在光波導和線狀光纖中的傳播模式和特性，以及雷射器、光接收器，各種光放大器以及波分多路和光連結，最後，《計算光子學——MATLAB導論》論述了光孤子、人陽能光電池和最近幾年才出現的超材料。《計算光子學——MATLAB導論》不僅有系統的光了學的理論和計算公式，而且通過Matlab進行各種仿真計算，獲得了雷射束在波導和光纖中傳播以及光放大器工作時的效果圖，《計算光子學——MATLAB導論》收錄了60多個存Matlab中使用的編程，可供讀者學習使用。
目錄
目錄
第1章 緒言 1
1.1 什麼是光子學 1
1.2 什麼是計算光子學 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 光電商用軟體一覽 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 光纖的發展 8
1.3.4 與電傳輸的比較 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 生物和醫學光子學 12
1.5 光子感測器 12
1.6 矽光子學 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 射線理論及其套用 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 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 斯托克斯關係 25
2.2.4 電介質薄膜中的干涉 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的函式清單和代碼 32
參考文獻 35
第3章 電磁學基礎 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 菲涅耳係數和相位 45
3.6.1 TE偏振 46
3.6.2 TM偏振 49
3.7 電介質界面反射造成的偏振 50
3.8 抗反射塗層 52
3.9 布拉格鏡 57
3.10 古斯漢欣位移 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的函式清單和代碼 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 電介質波導的電磁學理論基礎 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 三層對稱的導波結構(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 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 維瑟結構 94
4.8 二維結構 95
4.9 習題 98
4.10 課題 98
附錄4A：本章Matlab的函式清單和代碼 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 矽光纖的損耗機制 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徵方程 126
5.2.7 弱導波近似 129
5.2.8 基模HE11的通用關係 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 傳播中的脈衝色散 139
5.5 習題 141
5.6 課題 141
附錄5A：貝塞爾函式的特性 141
附錄5B：特徵行列式 142
附錄5C：本章Matlab的函式清單和代碼 144
參考文獻 155
第6章 線性脈衝的傳播 157
6.1 基本脈衝 157
6.1.1 矩形脈衝 157
6.1.2 高斯脈衝 159
6.1.3 超高斯脈衝 160
6.1.4 啁啾高斯脈衝 160
6.2 半導體雷射器的調製 161
6.2.1 調製制式 162
6.2.2 波形的建立 164
6.3 存在色散時脈衝傳播方程的簡單推導 165
6.4 線性脈衝的數學理論 167
6.5 脈衝的傳播 171
6.5.1 啁啾高斯脈衝傳播的分析 171
6.5.2 傅立葉變換的數值方法 172
6.5.3 傅立葉分步變換法 174
6.6 習題 176
附錄6A：本章Matlab的函式清單和代碼 176
參考文獻 189
第7章 光源 190
7.1 雷射器的概論 190
7.1.1 TLS中的躍遷 192
7.1.2 雷射振盪和諧振模式 193
7.2 半導體雷射器 195
7.2.1 半導體中的電子躍遷 197
7.2.2 同質pn結 199
7.2.3 異質結構 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 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 穩態分析 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 量子阱雷射器的大信號分析 216
7.4.5 頻率啁啾 216
7.4.6 等效電路模式 217
7.4.7 體雷射器的等效電路 217
7.5 雷射調Q技術 220
7.6 習題 221
7.7 課題 221
附錄7A：本章Matlab的函式清單和代碼 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 增益譜和頻寬 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 穩態分析 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的函式清單和代碼 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脈衝傳播速率方程 259
9.3 SOA的設計 262
9.4 SOA的套用 264
9.4.1 波長轉換 264
9.4.2 基於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的函式清單和代碼 267
參考文獻 268
第10章 光接收器件 270
10.1 主要特徵 271
10.1.1 接收器靈敏度 271
10.1.2 動態範圍 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 275
10.2.3 光檢測器噪聲 277
10.2.4 檢測器的設計 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 接收器的誤差機率 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的函式清單和代碼 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 高斯脈衝和調製高斯脈衝 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 確定格線尺度 297
11.2.3 色散與穩定性 298
11.2.4 穩定性判據 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的函式清單和代碼 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 運運算元和 320
12.1.3 傅立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 傳播運運算元方法 329
12.3.3 透明邊界條件 334
12.4 結束語 336
12.5 習題 337
12.6 課題 337
附錄12A：FD-BPM方程的推導細節 337
附錄12B：本章Matlab的函式清單和代碼 340
參考文獻 345
第13章 波分復用(WDM)器件 347
13.1 WDM系統之基本 347
13.2 基本的WDM技術 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
第1章 緒言 1
1.1 什麼是光子學 1
1.2 什麼是計算光子學 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 光電商用軟體一覽 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 光纖的發展 8
1.3.4 與電傳輸的比較 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 生物和醫學光子學 12
1.5 光子感測器 12
1.6 矽光子學 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 射線理論及其套用 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 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 斯托克斯關係 25
2.2.4 電介質薄膜中的干涉 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的函式清單和代碼 32
參考文獻 35
第3章 電磁學基礎 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 菲涅耳係數和相位 45
3.6.1 TE偏振 46
3.6.2 TM偏振 49
3.7 電介質界面反射造成的偏振 50
3.8 抗反射塗層 52
3.9 布拉格鏡 57
3.10 古斯漢欣位移 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的函式清單和代碼 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 電介質波導的電磁學理論基礎 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 三層對稱的導波結構(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 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 維瑟結構 94
4.8 二維結構 95
4.9 習題 98
4.10 課題 98
附錄4A：本章Matlab的函式清單和代碼 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 矽光纖的損耗機制 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徵方程 126
5.2.7 弱導波近似 129
5.2.8 基模HE11的通用關係 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 傳播中的脈衝色散 139
5.5 習題 141
5.6 課題 141
附錄5A：貝塞爾函式的特性 141
附錄5B：特徵行列式 142
附錄5C：本章Matlab的函式清單和代碼 144
參考文獻 155
第6章 線性脈衝的傳播 157
6.1 基本脈衝 157
6.1.1 矩形脈衝 157
6.1.2 高斯脈衝 159
6.1.3 超高斯脈衝 160
6.1.4 啁啾高斯脈衝 160
6.2 半導體雷射器的調製 161
6.2.1 調製制式 162
6.2.2 波形的建立 164
6.3 存在色散時脈衝傳播方程的簡單推導 165
6.4 線性脈衝的數學理論 167
6.5 脈衝的傳播 171
6.5.1 啁啾高斯脈衝傳播的分析 171
6.5.2 傅立葉變換的數值方法 172
6.5.3 傅立葉分步變換法 174
6.6 習題 176
附錄6A：本章Matlab的函式清單和代碼 176
參考文獻 189
第7章 光源 190
7.1 雷射器的概論 190
7.1.1 TLS中的躍遷 192
7.1.2 雷射振盪和諧振模式 193
7.2 半導體雷射器 195
7.2.1 半導體中的電子躍遷 197
7.2.2 同質pn結 199
7.2.3 異質結構 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 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 穩態分析 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 量子阱雷射器的大信號分析 216
7.4.5 頻率啁啾 216
7.4.6 等效電路模式 217
7.4.7 體雷射器的等效電路 217
7.5 雷射調Q技術 220
7.6 習題 221
7.7 課題 221
附錄7A：本章Matlab的函式清單和代碼 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 增益譜和頻寬 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 穩態分析 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的函式清單和代碼 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脈衝傳播速率方程 259
9.3 SOA的設計 262
9.4 SOA的套用 264
9.4.1 波長轉換 264
9.4.2 基於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的函式清單和代碼 267
參考文獻 268
第10章 光接收器件 270
10.1 主要特徵 271
10.1.1 接收器靈敏度 271
10.1.2 動態範圍 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 275
10.2.3 光檢測器噪聲 277
10.2.4 檢測器的設計 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 接收器的誤差機率 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的函式清單和代碼 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 高斯脈衝和調製高斯脈衝 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 確定格線尺度 297
11.2.3 色散與穩定性 298
11.2.4 穩定性判據 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的函式清單和代碼 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 運運算元和 320
12.1.3 傅立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 傳播運運算元方法 329
12.3.3 透明邊界條件 334
12.4 結束語 336
12.5 習題 337
12.6 課題 337
附錄12A：FD-BPM方程的推導細節 337
附錄12B：本章Matlab的函式清單和代碼 340
參考文獻 345
第13章 波分復用(WDM)器件 347
13.1 WDM系統之基本 347
13.2 基本的WDM技術 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
