計算光子學·MATLAB導論

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《計算光子學·MATLAB導論》，[加] 瓦泰克（Wartak M.S.） 著，吳宗森，吳小山 譯，出版社： 科學出版社。

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，逐一討論了激光束在光波導和線狀光纖中的傳播模式和特性，以及激光器、光接收器，各種光放大器以及波分多路和光鏈接，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，獲得了激光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

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的函數清單和代碼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

3.6.1TE偏振46

3.6.2TM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的函數清單和代碼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

4.5.1TE模式81

4.5.2TE模式的場分布83

4.6一維方法處理多層平板波導86

4.6.1TE模式86

4.6.2傳播常數89

4.6.3電場91

4.6.4TM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的函數清單和代碼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：貝塞爾函數的特性141

附錄5B：特徵行列式142

附錄5C：本章Matlab的函數清單和代碼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半導體激光器的調製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傅里葉變換的數值方法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

7.1.1TLS中的躍遷192

7.1.2激光振盪和諧振模式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Q技術220

7.6習題221

7.7課題221

附錄7A：本章Matlab的函數清單和代碼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的函數清單和代碼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

9.2SOA脈衝傳播速率方程259

9.3SOA的設計262

9.4SOA的應用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的函數清單和代碼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確定網格尺度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的函數清單和代碼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慢變化包絡近似(SVEA)325

12.2.3半矢量BPM327

12.2.4標量公式327

12.2.5有限差分(FD)近似327

12.31+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的函數清單和代碼340

參考文獻345

第13章波分復用(WDM)器件347

13.1WDM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