计算光子学

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22
2.2.2群速度23
2.2.3斯托克斯关系24
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–咱罗干涉仪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56
3.10古斯–汉欣位移60
3.11坡印亭定理62
3.12习题63
3.13课题63
附录3A:本章Matlab的函数清单和代码63
参考文献66
第4章平板波导67
4.1平板波导的射线光学67
4.1.1数值孔径67
4.1.2导波模式68
4.1.3横向共振条件69
4.1.4横向条件–归一化形式70
4.2电介质波导的电磁学理论基础72
4.2.1一般性讨72
4.2.2通用方程的简约形式73
4.3平面宽波导的波动方程74
4.4三层对称的导波结构(TE模式)76
4.5一维任意三层不对称平面波导的模式79
4.5.1TE模式79
4.5.2TE模式的场分布81
4.6一维方法处理多层平板波导84
4.6.1TE模式84
4.6.2传播常数87
4.6.3电场89
4.6.4TM模式89
4.7一维方式的实例90
4.7.1四层无衰减波导90
4.7.2六层耗散波导90
4.7.3维瑟结构92
4.8二维结构93
4.9习题96
4.10课题96
附录4A:本章Matlab的函数清单和代码96
参考文献111
第5章线状光纤和信号退化112
5.1几何光学概述112
5.1.1数值孔径(NA)113
5.1.2多路径色散114
5.1.3光纤的信息运载能力114
5.1.4硅光纤的损耗机制115
5.1.5固有损耗116
5.1.6外在损耗116
5.2柱坐标中的光纤模式.116
5.2.1柱坐标中的麦克斯韦方程117
5.2.2柱坐标的波动方程118
5.2.3柱坐标中波动方程的解119
5.2.4边界条件和模式方程122
5.2.5模式分类123
5.2.6m=0时的模式123
5.2.7弱导波近似(wga)125
5.2.8统一表达式127
5.2.9基本模式HE11的通用关系128
5.2.10单模光纤129
5.2.11截止条件130
5.3色散130
5.3.1群延时的概论131
5.3.2材料色散:谢米尔方程132
5.3.3波导色散133
5.4传播中的脉冲色散.133
5.5习题.135
5.6课题.135
附录5A:贝塞尔函数的特性136
附录5B:特征行列式137
附录5C:本章Matlab的函数清单和代码138
参考文献145
第6章线性脉冲的传播146
6.1基本脉冲146
6.1.1矩形脉冲146
6.1.2高斯脉冲148
6.1.3超高斯脉冲149
6.1.4惆瞅高斯脉冲149
6.2半导体激光器的调制150
6.2.1调制制式151
6.2.2波形的建立153
6.3存在色散时脉冲传播方程的简单推导154
6.4线性脉冲的数学理论156
6.5脉冲的传播160
6.5.1调频高斯脉冲传播的分析160
6.5.2傅里叶变换的数值方法161

6.5.3傅里叶分步变换法162
6.6习题164
附录6A:本章Matlab的函数清单和代码164
参考文献176
第7章光源.178
7.1激光器的概论178
7.1.1TLS中的跃迂180
7.1.2激光振荡和谐振模式182
7.2半导体激光器183
7.2.1半导体中的电子跃迂185
7.2.2同质pn结187
7.2.3异质结构188
7.2.4光学增益190
7.2.5确定光增益191
7.3速率方程193
7.3.1载流子194
7.3.2光子194
7.3.3速率方程参数195
7.3.4电场速率方程的推导196
7.4速率方程的分析199
7.4.1稳态分析199
7.4.2线性增益模式的小信号分析199
7.4.3增益饱和时的小信号分析201
7.4.4量子阱激光器的大信号分析204
7.4.5频率惆瞅204
7.4.6等效电路模式205
7.4.7体激光器的等效电路205
7.5习题.208
7.6课题.208
附录7A:本章Matlab的函数清单和代码208
参考文献215
第8章光放大器和掺锢光纤放大器217
8.1一般特性219
8.1.1增益谱和带宽219
8.1.2增益饱和221
8.1.3放大器噪声222
8.2掺饵光纤放大器(ED龙A)223
8.2.1稳态分析225
8.2.2有效的二能级方法225
8.3掺饵光纤放大器的增益特性226
8.4习题228
8.5课题229
附录8A:本章Matlab的函数清单和代码229
参考文献236
第9章半导体光放大器(SOA)238
9.1一般性讨论238
9.1.1具有小端面反射率的SOA增益公式239
9.1.2小端面反射率的影响242
9.2SOA脉冲传播速率方程243
9.3SOA的设计246
9.4SOA的应用248
9.4.1波长转换248
9.4.2基于干涉原理的全光学逻辑249
9.5习题250
9.6课题251
附录9A:本章Matlab的函数清单和代码251
参考文献252
第10章光接收器件254
10.1主要特征255
10.1.1接收器灵敏度.255
10.1.2动态范围.255
10.1.3比特率透明度.255
10.1.4比特图的独立性255
10.2光检测器255
10.2.1光检测原理256
10.2.2光检测器的性能参数259
10.2.3光检测器噪声261
10.2.4检测器的设计263
10.3接收器之分析264
10.3.1理想光接收器的比特误差265
10.3.2接收器的误差概率266
10.3.3比特率和高斯噪声268
10.4光电接收器的建模271
10.5习题271
10.6课题271
附录10A:本章Matlab的函数清单和代码271
参考文献273
第11章时域有限差分法275
11.1通用公式275
11.1.1三维公式276
11.1.2二维公式276
11.1.3一维模型277
11.1.4高斯脉冲和调制高斯脉278
11.2无色散时的一维叶氏算法279
11.2.1无损耗情况.279
11.2.2确定网格尺度281
11.2.3色散与稳定性282
11.2.4稳定性判据284
11.2.5一维有损耗模式284
11.3一维边界条件285
11.3.1穆尔一阶吸收边界条件(ABC)285
11.3.2一维二阶边界条件287
11.4二维无色散的叶氏算法289
11.5二维吸收边界条件291
11.6色散293
11.7习题294
11.8课题294
附录11A:本章Matlab的函数清单和代码295
参考文献301
第12章波束传播法(BPM)302
12.1傍轴公式303
12.1.1引言303
12.1.2运算子D.和W304
12.1.3傅里叶变换分步法的实施305
12.2一般理论307
12.2.1绪论307
12.2.2慢变化包络近似(SVEA)309
12.2.3半矢量BPM311
12.2.4标量公式311
12.2.5有限差分(龙D)近似311
12.31+1维有限差分波束传播法公式312
12.3.1简单近似313
12.3.2传播运算子方法313
12.3.3透明边界条件318
12.4结束语320
12.5习题321
12.6课题321
附录12A:龙D-BPM方程的推导细节321
附录12B:本章Matlab的函数清单和代码324
参考文献329
第13章波分复用(WDM)器件331
13.1WDM系统之基本331
13.2基本的WDM技术332
13.2.1光纤布拉格光栅332
13.2.2阵列波导栅格333
13.2.3藕合器和分束器333
13.2.4无源藕合器的数学理论334
13.2.5光隔离器338
13.3BPM在光电器件中的应用338
13.4课题339
附录13A:本章Matlab的函数清单和代码340
参考文献346
第14章光链路348
14.1光通信系统348
14.2设计光链路349
14.2.1功率预算分析350
14.2.2上升时间预算351
14.3测量光链路性能352
14.4线性系统的光滤波器354
14.5基于滤波功能的光链路模式356
14.5.1方脉冲的试验分析356
14.5.2发射器357
14.5.3光纤358
14.5.4接收器359
14.5.5光链路模型的实现359
14.6习题360
14.7课题360
附录14A:本章Matlab的函数清单和代码360
参考文献365
第15章光孤子368
15.1非线性光学极化率368
15.2主要的非线性效应369
15.2.1克尔效应.369
15.2.2受激拉曼散射.370
15.3非线性薛定诗方程的推导370
15.4分步傅里叶方法374
15.4.1分步傅里叶变换法376
15.4.2对称分步傅里叶变换法377
15.5数值结果378
15.5.1单孤子378
15.5.2惆瞅孤子波.379
15.5.3两个相互作用的孤子波.379
15.6基于孤子通信的几个结论380
15.7习题381
附录15A:本章Matlab的函数清单和代码381
参考文献383
第16章光伏电池385
16.1引言385
16.2光伏电池原理387
16.3光伏电池的等效电路390
16.3.1基本模型390
16.3.2其他模型391
16.4多结光伏电池393
16.4.1多结量子点394
16.4.2中间带光伏电池394
16.4.3数值仿真的作用395
附录16A:本章Matlab的函数清单和代码396
参考文献398
第17章超材料400
17.1引言400
17.2韦谢拉戈方法403
17.2.1波动方程403
17.2.2左手材料404
17.2.3光线的折射404
17.3如何构造超材料405
17.3.1在微波下超材料具有负有效介电常数405
17.3.2磁学性能:开口环振荡器(SRR)407
17.4超材料的一些应用411
17.4.1完美透镜411
17.4.2在超材料中的静止光411
17.4.3隐形413
17.4.4光学黑洞414
17.5有源超材料415
17.6特别加注的参考书目415
附录17A:本章Matlab的函数清单和代码416
参考文献418
附录AMatlab的基本知识421
A.1m-文件的工作部分422
A.2基本法则424
A.3Matlab编程中的良好习惯425
A.3.1预置内存426
A.3.2矢量化的循环426
A.4作图之基本427
A.4.1二维作图之基本427
A.4.2二维作图427
A.4.3三维作图和动画作图431
A.5基本的输入–输出439
A.5.