计算光子学·MATLAB导论

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《计算光子学·MATLAB导论》，[加] 瓦泰克（Wartak M.S.） 著，吴宗森，吴小山 译，出版社： 科学出版社。

内容简介

《计算光子学——MATLAB导论》是光电子学和光电器件理论系统化和计算图像化的新专著《计算光子学——MATLAB导论》从光学和电磁场基础理论讲起，逐一讨论了激光束在光波导和线状光纤中的传播模式和特性，以及激光器、光接收器，各种光放大器以及波分多路和光链接，最后，《计算光子学——MATLAB导论》论述了光孤子、人阳能光电池和最近几年才出现的超材料。《计算光子学——MATLAB导论》不仅有系统的光了学的理论和计算公式，而且通过Matlab进行各种仿真计算，获得了激光束在波导和光纤中传播以及光放大器工作时的效果图，《计算光子学——MATLAB导论》收录了60多个存Matlab中使用的编程，可供读者学习使用。

目录

第1章绪言1

1.1什么是光子学1

1.2什么是计算光子学3

1.2.1计算光子学和计算电磁学的方法3

1.2.2计算纳米光子学3

1.2.3光电商用软件一览4

1.3光纤通信5

1.3.1光纤通信的简介5

1.3.2通信简史5

1.3.3光纤的发展8

1.3.4与电传输的比较9

1.3.5管理标准10

1.3.6波分复用10

1.3.7孤子11

1.4生物和医学光子学12

1.5光子传感器12

1.6硅光子学13

1.7光量子信息科学13

参考文献13

第2章光学的基本知识17

2.1几何光学17

2.1.1射线理论及其应用17

2.1.2临界角18

2.1.3透镜19

2.1.4折射率梯度变化系统20

2.2波动光学21

2.2.1相速度23

2.2.2群速度23

2.2.3斯托克斯关系25

2.2.4电介质薄膜中的干涉26

2.2.5平板中光束的多次干涉28

2.2.6法布里珀罗干涉仪30

2.3习题31

附录2A：本章Matlab的函数清单和代码32

参考文献35

第3章电磁学基础36

3.1麦克斯韦方程组36

3.2边界条件37

3.2.1电场边界条件38

3.2.2磁场边界条件39

3.3波动方程40

3.4时谐场40

3.5偏振波43

3.5.1线偏振波43

3.5.2圆偏振和椭圆偏振波44

3.6菲涅耳系数和相位45

3.6.1TE偏振46

3.6.2TM偏振49

3.7电介质界面反射造成的偏振50

3.8抗反射涂层52

3.9布拉格镜57

3.10古斯汉欣位移62

3.11坡印亭定理63

3.12习题64

3.13课题65

附录3A：本章Matlab的函数清单和代码65

参考文献68

第4章平板波导69

4.1平板波导的射线光学69

4.1.1数值孔径69

4.1.2导波模式70

4.1.3横向共振条件71

4.1.4横向条件归化形式72

4.2电介质波导的电磁学理论基础74

4.2.1一般性讨论74

4.2.2通用方程的简约形式76

4.3平面宽波导的波动方程77

4.4三层对称的导波结构(TE模式)78

4.4.1算法81

4.5维任意三层不对称平面波导的模式81

4.5.1TE模式81

4.5.2TE模式的场分布83

4.6一维方法处理多层平板波导86

4.6.1TE模式86

4.6.2传播常数89

4.6.3电场91

4.6.4TM模式91

4.7一维方式的实例92

4.7.1四层无衰减波导92

4.7.2六层耗散波导92

4.7.3维瑟结构94

4.8二维结构95

4.9习题98

4.10课题98

附录4A：本章Matlab的函数清单和代码99

参考文献113

第5章线性光纤和信号退化115

5.1几何光学概述115

5.1.1数值孔径(NA)116

5.1.2多路径色散117

5.1.3光纤的信息运载能力117

5.1.4硅光纤的损耗机制118

5.1.5固有损耗119

5.1.6外在损耗119

5.2柱坐标中的光纤模式119

5.2.1柱坐标中的麦克斯韦方程120

5.2.2柱坐标的波动方程121

5.2.3柱坐标中波动方程的解122

5.2.4边界条件和模式方程125

5.2.5模式分类126

5.2.6几种导波模式和它们的特征方程126

5.2.7弱导波近似129

5.2.8基模HE11的通用关系131

5.2.9单模光纤的截止波长132

5.2.10单模光纤中的电场分布134

5.3色散136

5.3.1群延时的概论136

5.3.2材料色散：谢米尔方程137

5.3.3波导色散138

5.4传播中的脉冲色散139

5.5习题141

5.6课题141

附录5A：贝塞尔函数的特性141

附录5B：特征行列式142

附录5C：本章Matlab的函数清单和代码144

参考文献155

第6章线性脉冲的传播157

6.1基本脉冲157

6.1.1矩形脉冲157

6.1.2高斯脉冲159

6.1.3超高斯脉冲160

6.1.4啁啾高斯脉冲160

6.2半导体激光器的调制161

6.2.1调制制式162

6.2.2波形的建立164

6.3存在色散时脉冲传播方程的简单推导165

6.4线性脉冲的数学理论167

6.5脉冲的传播171

6.5.1啁啾高斯脉冲传播的分析171

6.5.2傅里叶变换的数值方法172

6.5.3傅里叶分步变换法174

6.6习题176

附录6A：本章Matlab的函数清单和代码176

参考文献189

第7章光源190

7.1激光器的概论190

7.1.1TLS中的跃迁192

7.1.2激光振荡和谐振模式193

7.2半导体激光器195

7.2.1半导体中的电子跃迁197

7.2.2同质pn结199

7.2.3异质结构200

7.2.4光学增益202

7.2.5确定光增益203

7.3速率方程205

7.3.1载流子206

7.3.2光子206

7.3.3速率方程参数207

7.3.4电场速率方程的推导208

7.4速率方程的分析211

7.4.1稳态分析211

7.4.2线性增益模式的小信号分析211

7.4.3增益饱和时的小信号分析213

7.4.4量子阱激光器的大信号分析216

7.4.5频率啁啾216

7.4.6等效电路模式217

7.4.7体激光器的等效电路217

7.5激光调Q技术220

7.6习题221

7.7课题221

附录7A：本章Matlab的函数清单和代码221

参考文献230

第8章光放大器相掺铒光纤放大器233

8.1一般特性235

8.1.1增益谱和带宽235

8.1.2增益饱和237

8.1.3放大器噪声238

8.2掺铒光纤放大器(EDFA)239

8.2.1稳态分析241

8.2.2有效的二能级方法241

8.3掺铒光纤放大器的增益特性242

8.4习题244

8.5课题245

附录8A：本章Matlab的函数清单和代码245

参考文献252

第9章半导体光放大器(SOA)254

9.1一般性讨论254

9.1.1具有小端面反射率的SOA增益公式255

9.1.2小端面反射率的影响258

9.2SOA脉冲传播速率方程259

9.3SOA的设计262

9.4SOA的应用264

9.4.1波长转换264

9.4.2基于干涉原理的全光学逻辑265

9.5习题266

9.6课题267

附录9A：本章Matlab的函数清单和代码267

参考文献268

第10章光接收器件270

10.1主要特征271

10.1.1接收器灵敏度271

10.1.2动态范围271

10.1.3比特率透明度271

10.1.4比特图的独立性271

10.2光检测器271

10.2.1光检测原理272

10.2.2光检测器的性能参数275

10.2.3光检测器噪声277

10.2.4检测器的设计279

10.3接收器之分析280

10.3.1理想光接收器的比特误差281

10.3.2接收器的误差概率282

10.3.3比特误码率和高斯噪声284

10.4光电接收器的建模287

10.5习题287

10.6课题287

附录10A：本章Matlab的函数清单和代码288

参考文献289

第11章时域有限差分法291

11.1通用公式291

11.1.1三维公式292

11.1.2二维公式292

11.1.3一维模型293

11.1.4高斯脉冲和调制高斯脉冲294

11.2无色散时的一维叶氏算法295

11.2.1无损耗情况295

11.2.2确定网格尺度297

11.2.3色散与稳定性298

11.2.4稳定性判据300

11.2.5维有损耗模式300

11.3一维边界条件301

11.3.1穆尔一阶吸收边界条件(ABC)301

11.3.2一维二阶边界条件303

11.4二维无色散的叶氏算法305

11.5二维吸收边界条件307

11.6色散309

11.7习题310

11.8课题310

附录11A：本章Matlab的函数清单和代码311

参考文献317

第12章波束传播法(BPM)318

12.1傍轴会式319

12.1.1引言319

12.1.2运算子和320

12.1.3傅里叶变换分步法的实施321

12.2一般理论323

12.2.1绪论323

12.2.2慢变化包络近似(SVEA)325

12.2.3半矢量BPM327

12.2.4标量公式327

12.2.5有限差分(FD)近似327

12.31+1维有限差分波束传播法公式328

12.3.1简单近似329

12.3.2传播运算子方法329

12.3.3透明边界条件334

12.4结束语336

12.5习题337

12.6课题337

附录12A：FD-BPM方程的推导细节337

附录12B：本章Matlab的函数清单和代码340

参考文献345

第13章波分复用(WDM)器件347

13.1WDM系统之基本347

13.2基本的WDM技术348

13.2.1光纤布拉格光栅348

13.2.2阵列波导栅格349

13.2.3耦合器和