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计算光子学:MATLAB导论

作者:[加] Marek S. Wartak 著

出版社: 科学出版社

出版年:2015-06-01

页数:516

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编辑推荐

适读人群 :本书可用作理工科大学光电专业、光通讯和微电子专业的大三或大四学生专业课的教科书。也可作为全国计算物理专业教学参考书之一,以及教育部拔尖计划教学用参考书。本书也是光电、通讯企业科技研发人员和研究生的研究课题设计参考用书。

本书从物理概念出发,建立相应的理论模型,针对光学器件的工作原理、工作模式,将光子学问题归结为特征方程求根、积分求解、常微分方程求解等积分数值求解问题,在对相应数值分析方法进行简要介绍的基础上结合Matlab强大的数值计算和图形显示功能,完成光子学问题的仿真计算并给出图形化的显示结果。 


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**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、太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》不仅有系统的光子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多个在Matlab中使用的编程,可供读者学习使用。


目录

第1章 绪言 

1.1 什么是光子学 

1.2 什么是计算光子学 

1.2.1 计算光子学和计算电磁学的方法 

1.2.2 计算纳米光子学 

1.2.3 光电商用软件一览 

1.3 光纤通信 

1.3.1 光纤通信的简介 

1.3.2 通信简史 

1.3.3 光纤的发展 

1.3.4 与电传输的比较 

1.3.5 管理标准 

1.3.6 波分复用 

1.3.7 孤子 

1.4 生物和医学光子学 

1.5 光子传感器 

1.6 硅光子学 

1.7 光量子信息科学 

参考文献 


第2章 光学的基本知识 

2.1 几何光学 

2.1.1 射线理论及其应用 

2.1.2 临界角 

2.1.3 透镜 

2.1.4 折射率梯度变化系统 

2.2 波动光学 

2.2.1 相速度 

2.2.2 群速度 

2.2.3 斯托克斯关系 

2.2.4 电介质薄膜中的干涉 

2.2.5 平板中光束的多次干涉 

2.2.6 法布里-咱罗干涉仪 

2.3 习题. 

附录2A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第3章 电磁学基础 

3.1 麦克斯韦方程组 

3.2 边界条件 

3.2.1 电场边界条件 

3.2.2 磁场边界条件 

3.3 波动方程 

3.4 时谐场 

3.5 偏振波 

3.5.1 线偏振波 

3.5.2 圆偏振和椭圆偏振波 

3.6 菲涅耳系数和相位 

3.6.1 TE偏振 

3.6.2 TM偏振 

3.7 电介质界面反射造成的偏振 

3.8 抗反射涂层 

3.9 布拉格镜 

3.1 0古斯-汉欣位移 

3.1 1坡印亭定理 

3.1 2习题 

3.1 3课题 

附录3A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第4章 平板波导 

4.1 平板波导的射线光学 

4.1.1 数值孔径 

4.1.2 导波模式 

4.1.3 横向共振条件 

4.1.4 横向条件-归一化形式 

4.2 电介质波导的电磁学理论基础 

4.2.1 一般性讨 

4.2.2 通用方程的简约形式 

4.3 平面宽波导的波动方程 

4.4 三层对称的导波结构(TE模式) 

4.5 一维任意三层不对称平面波导的模式 

4.5.1 TE模式 

4.5.2 TE模式的场分布 

4.6 一维方法处理多层平板波导 

4.6.1 TE模式 

4.6.2 传播常数 

4.6.3 电场 

4.6.4 TM模式 

4.7 一维方式的实例 

4.7.1 四层无衰减波导 

4.7.2 六层耗散波导 

4.7.3 维瑟结构 

4.8 二维结构 

4.9 习题 

4.1 0课题 

附录4A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第5章 线状光纤和信号退化 

5.1 几何光学概述 

5.1.1 数值孔径(NA) 

5.1.2 多路径色散 

5.1.3 光纤的信息运载能力 

5.1.4 硅光纤的损耗机制 

5.1.5 固有损耗 

5.1.6 外在损耗 

5.2 柱坐标中的光纤模式. 

5.2.1 柱坐标中的麦克斯韦方程 

5.2.2 柱坐标的波动方程 

5.2.3 柱坐标中波动方程的解 

5.2.4 边界条件和模式方程 

5.2.5 模式分类 

5.2.6 m=0时的模式 

5.2.7 弱导波近似(wga) 

5.2.8 统一表达式 

5.2.9 基本模式HE11的通用关系 

5.2.10 单模光纤 

5.2.11 截止条件 

5.3 色散 

5.3.1 群延时的概论 

5.3.2 材料色散:谢米尔方程 

5.3.3 波导色散 

5.4 传播中的脉冲色散. 

5.5 习题 

5.6 课题 

附录5A:贝塞尔函数的特性 

附录5B:特征行列式 

附录5C:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第6章 线性脉冲的传播 

6.1 基本脉冲 

6.1.1 矩形脉冲 

6.1.2 高斯脉冲 

6.1.3 超高斯脉冲 

6.1.4 惆瞅高斯脉冲 

6.2 半导体激光器的调制 

6.2.1 调制制式 

6.2.2 波形的建立 

6.3 存在色散时脉冲传播方程的简单推导 

6.4 线性脉冲的数学理论 

6.5 脉冲的传播 

6.5.1 调频高斯脉冲传播的分析 

6.5.2 傅里叶变换的数值方法 

6.5.3 傅里叶分步变换法 

6.6 习题 

附录6A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第7章 光源 

7.1 激光器的概论 

7.1.1 TLS中的跃迂 

7.1.2 激光振荡和谐振模式 

7.2 半导体激光器 

7.2.1 半导体中的电子跃迂 

7.2.2 同质pn结 

7.2.3 异质结构 

7.2.4 光学增益 

7.2.5 确定光增益 

7.3 速率方程 

7.3.1 载流子 

7.3.2 光子 

7.3.3 速率方程参数 

7.3.4 电场速率方程的推导 

7.4 速率方程的分析 

7.4.1 稳态分析 

7.4.2 线性增益模式的小信号分析 

7.4.3 增益饱和时的小信号分析 

7.4.4 量子阱激光器的大信号分析 

7.4.5 频率惆瞅 

7.4.6 等效电路模式 

7.4.7 体激光器的等效电路 

7.5 习题 

7.6 课题 

附录7A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第8章 光放大器和掺锢光纤放大器 

8.1 一般特性 

8.1.1 增益谱和带宽 

8.1.2 增益饱和 

8.1.3 放大器噪声 

8.2 掺饵光纤放大器(ED龙A) 

8.2.1 稳态分析 

8.2.2 有效的二能级方法 

8.3 掺饵光纤放大器的增益特性 

8.4 习题 

8.5 课题 

附录8A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第9章 半导体光放大器(SOA) 

9.1 一般性讨论 

9.1.1 具有小端面反射率的SOA增益公式 

9.1.2 小端面反射率的影响 

9.2 SOA脉冲传播速率方程 

9.3 SOA的设计 

9.4 SOA的应用 

9.4.1 波长转换 

9.4.2 基于干涉原理的全光学逻辑 

9.5 习题 

9.6 课题 

附录9A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第10章 光接收器件 

10.1 主要特征 

10.1.1 接收器灵敏度. 

10.1.2 动态范围. 

10.1.3 比特率透明度. 

10.1.4 比特图的独立性 

10.2 光检测器 

10.2.1 光检测原理 

10.2.2 光检测器的性能参数 

10.2.3 光检测器噪声 

10.2.4 检测器的设计 

10.3 接收器之分析 

10.3.1 理想光接收器的比特误差 

10.3.2 接收器的误差概率 

10.3.3 比特率和高斯噪声 

10.4 光电接收器的建模 

10.5 习题 

10.6 课题 

附录10A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第11章 时域有限差分法 

11.1 通用公式 

11.1.1 三维公式 

11.1.2 二维公式 

11.1.3 一维模型 

11.1.4 高斯脉冲和调制高斯脉 

11.2 无色散时的一维叶氏算法 

11.2.1 无损耗情况. 

11.2.2 确定网格尺度 

11.2.3 色散与稳定性 

11.2.4 稳定性判据 

11.2.5 一维有损耗模式 

11.3 一维边界条件 

11.3.1 穆尔一阶吸收边界条件(ABC) 

11.3.2 一维二阶边界条件 

11.4 二维无色散的叶氏算法 

11.5 二维吸收边界条件 

11.6 色散 

11.7 习题 

11.8 课题 

附录11A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第12章 波束传播法(BPM) 

12.1 傍轴公式 

12.1.1 引言 

12.1.2 运算子D.和W 

12.1.3 傅里叶变换分步法的实施 

12.2 一般理论 

12.2.1 绪论 

12.2.2 慢变化包络近似(SVEA) 

12.2.3 半矢量BPM 

12.2.4 标量公式 

12.2.5 有限差分(龙D)近似 

12.3 1+1维有限差分波束传播法公式 

12.3.1 简单近似 

12.3.2 传播运算子方法 

12.3.3 透明边界条件 

12.4 结束语 

12.5 习题 

12.6 课题 

附录12A:龙D-BPM方程的推导细节 

附录12B:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第13章 波分复用(WDM)器件 

13.1 WDM系统之基本 

13.2 基本的WDM技术 

13.2.1 光纤布拉格光栅 

13.2.2 阵列波导栅格 

13.2.3 藕合器和分束器 

13.2.4 无源藕合器的数学理论 

13.2.5 光隔离器 

13.3 BPM在光电器件中的应用 

13.4 课题 

附录13A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第14章 光链路 

14.1 光通信系统 

14.2 设计光链路 

14.2.1 功率预算分析 

14.2.2 上升时间预算 

14.3 测量光链路性能 

14.4 线性系统的光滤波器 

14.5 基于滤波功能的光链路模式 

14.5.1 方脉冲的试验分析 

14.5.2 发射器 

14.5.3 光纤 

14.5.4 接收器 

14.5.5 光链路模型的实现 

14.6 习题 

14.7 课题 

附录14A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第15章 光孤子 

15.1 非线性光学极化率 

15.2 主要的非线性效应 

15.2.1 克尔效应. 

15.2.2 受激拉曼散射. 

15.3 非线性薛定诗方程的推导 

15.4 分步傅里叶方法 

15.4.1 分步傅里叶变换法 

15.4.2 对称分步傅里叶变换法 

15.5 数值结果 

15.5.1 单孤子 

15.5.2 惆瞅孤子波. 

15.5.3 两个相互作用的孤子波. 

15.6 基于孤子通信的几个结论 

15.7 习题 

附录15A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第16章 光伏电池 

16.1 引言 

16.2 光伏电池原理 

16.3 光伏电池的等效电路 

16.3.1 基本模型 

16.3.2 其他模型 

16.4 多结光伏电池 

16.4.1 多结量子点 

16.4.2 中间带光伏电池 

16.4.3 数值仿真的作用 

附录16A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 


第17章 超材料 

17.1 引言 

17.2 韦谢拉戈方法 

17.2.1 波动方程 

17.2.2 左手材料 

17.2.3 光线的折射 

17.3 如何构造超材料 

17.3.1 在微波下超材料具有负有效介电常数 

17.3.2 磁学性能:开口环振荡器(SRR) 

17.4 超材料的一些应用 

17.4.1 完美透镜 

17.4.2 在超材料中的静止光 

17.4.3 隐形 

17.4.4 光学黑洞 

17.5 有源超材料 

17.6 特别加注的参考书目 

附录17A:本章Matlab的函数清单和代码 

参考文献 

附录AMatlab的基本知识 

A.1 m-文件的工作部分 

A.2 基本法则 

A.3 Matlab编程中的良好习惯 

A.3.1 预置内存 

A.3.2 矢量化的循环 

A.4 作图之基本 

A.4.1 二维作图之基本 

A.4.2 二维作图 

A.4.3 三维作图和动画作图 

A.5 基本的输入-输出


精彩书摘

  《计算光子学:MATLAB导论》: 

  绪言 

  1.1 什么是光子学 

  联合国宣布2015年为光和光技术国际年(TheInternationalYearofLightandLight-basedTechnologies,2015),因为2015年恰逢光科学历史上一系列重要的里程碑周年纪念,包括1015年伊本  海赛姆(IbnAi-Haythan)的光学著作、1815年菲涅耳(Fresnel)提出的光波概念、1865年麦克斯韦(Maxwell)提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦(Einstein)的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素。考虑到光对人类生活和科技的巨大影响,2015年举办光年的一系列的纪念活动实属十分必要和及时。光量子,简称光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体,而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子(如电子和夸克)相比,光子没有静止质量(爱因斯坦的运动质量公式E=mc^2中,光子的v=c,使得公式分母为0,但光子的运动质量m具有有限值,故光子的静止质量必须为零),光子有速度、能量、动量、质量,这意味着其在真空中的传播速度是光速。 

  光子学与电磁场学紧密相关,从某种意义上说,光子是电磁场中的基本粒子。光子与电子是相互平行并列的,电子涉及电子器件,而光子则与光电器件,或者光电系统密切关联。事实上,这两个领域(电子和光子)有很多共同点。不仅如此,光子学和电子学相互渗透,已浑然成一体。例如,激光器是用电驱动,使激光物质内部的粒子数反转通过能级跃迁发射出光束,又例如,电信号用来调制光束以便传送数据、语音和视频。 

  光子学的应用离不开光子,与此类似,电子学的应用靠的是电子。然而,用光传送数据比用电传送信息要更胜一筹。此外,光子本身之间没有相互作用(这是其优点,有时又是缺点),所以光束之间可以相互穿越,而彼此无互动不受干扰。 

  即使大约十多年前发生的电信“泡沫”时期,光子学下属的光纤通信仍然是一个非常重要和活跃的领域。例如,一根光纤具有同时进行大约三百万对电话通话的能力。2014年10月,来自美国和荷兰的科学家利用光学信号在新型的光纤中创下了255TB/s的骄人成绩。通俗点说,他们能在1s内传输255T字节(terabytes)的数据,或者用0。004s的时间即可把1TB硬盘里的全部内容传输到另一地方。这一速度要比目前商用光纤的带宽高出21倍,还远高于同年由丹麦DTU大学创造的43Tbit/s的速率。这是以前电缆时代根本无法想象的超快速传输。2011年诺贝尔物理学奖颁发给了光纤技术的鼻祖高锟,3年后,2014年的诺贝尔物理学奖又授予发明蓝光发光二极管(蓝光LED)的日本科学家。由此可见光学在人类生活和科技中的显要地位。自2000年的危机后,光子的许多新应用逐渐涌现并受到注意。生物光子学和医学光子学是其中的佼佼者。开宗明义,本书讨论的是光子学的计算方法和程序。我们将广为科技界使用的Matlab运用到光子学的各个领域。尝试从更广的角度来讨论什么是计算光子学以及学习计算光子学的意义。我们将简要地总结光子学下属的几个分领域,特别侧重于光纤通信,以了解光子学未来的潜能。计算光子学对我们所设计的光学器件和光学系统有着极其重要的作用,它不仅减少了投资新建测试设备的成本,而且极大地加快了研发的速度和进程。我们还将用更宽阔的视野看待什么是光子学,什么是光子学当前的活跃领域,以及在哪里可以得到有关光子学最新的信息。 


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