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《计算光子学》可用作理工科大学光电专业、光通信和微电子专业高年级本科生教科书，也可作为计算物理专业教学参考书。同时《计算光子学》可为光电、通信企业科技研发人员和研究生的研究课题设计提供参考。
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| 內容簡介： |
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《计算光子学》是光电子学和光电器件理论系统化和计算图像化的最新专著。《计算光子学》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》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》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》收录了60多个在Matlab中使用的编程，可供读者学习使用。
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| 目錄：
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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
3.6.1TE偏振
3.6.2TM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
3.10古斯-汉欣位移
3.11坡印亭定理
3.12习题
3.13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
4.5.1TE模式
4.5.2TE模式的场分布
4.6一维方法处理多层平板波导
4.6.1TE模式
4.6.2传播常数
4.6.3电场
4.6.4TM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
4.10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
5.2.6m=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
7.1.1TLS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
9.2SOA脉冲传播速率方程
9.3SOA的设计
9.4SOA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
12.31+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
13.1WDM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
13.3BPM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.1m-文件的工作部分
A.2基本法则
A.3Matlab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
……
附录B基本数值方法总结
附录C本书清单的作图总汇
索引
本书函数名及关键词索引
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| 內容試閱：
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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255TBs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43Tbits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。
在我们尝试定义计算光子学之前，让我们汇集一下在成书前2011年冬季有关光子学会议的一些信息。
对光子学及其较传统的应用以及未来光子学新方向的研讨组织得相当完善的会议有：
美西光电：每年1月在加里福尼亚州举行，这里是2011的资讯
美东光电：每年秋季在美国东部举行
光纤会议每年3月举行
一种新的研讨会，全球光电会议PGC，自2008年以来每两年举行一次
会议的目的在于促进众多学科之间的相互交流，它特别关注光电子学的新兴方向。我们把2011年的专题讨论会和特别会议小结如下：
专题讨论会：①光流体学Optofluidics和生物光子学Biphotonics。②基于光纤的设备和应用程序。③绿色光子学GreenPhotonics。④高功率激光器及其工业应用。⑤超材料Metamaterials和等离子体学Plasmonics。⑥纳米光子学Nanophotonics。⑦光通信与网络。
特别会议：①量子通信QuantumCommunication。②光子晶体光纤PhotonicCrystalFibers及其应用。③光子碳纳米管PhotonicCarbonNanotube和石墨烯Graphene的应用。④太赫兹技术TerahertsTechnology。⑤弥散性光学成像DiffuseOpticalImaging。
通过浏览所讨论的课题，人们多少可以知道什么是当前光子学活跃领域以及它未来的走向。
1.2什么是计算光子学
计算光子学是物理学的一个新兴分支，它使用数值方法研究光在这里，光是广义上的电磁波在波导结构中的属性和传播。在这个领域中，其核心部分是通过分析和计算机建模的手段研究光以及光与物质的相互作用。这种新兴的计算科学领域对设计新一代的集成光学模块，长距离传输和通信系统正发挥着举足轻重的作用。通常，计算光子学可以理解为实验的“替代”法，即在计算机上进行的相关“实验”。显然，这种方法大大地降低了开发成本，极大地加快了开发新产品的速度。我们将试图涵括其中的一些进展。但是，该领域是如此地广泛以至于我们无法涉及它的所有方面。当然，本书讨论的课题与作者的专业知识有关。作为光子学的一个单独的课题，人们往往选择集成光电子学，它汇聚了所有对波导、波导模式和光子结构的仿真。这里，核心部分是本书后面即将讨论的光束传播法。
1.2.1计算光子学和计算电磁学的方法
根据Joannopoulos，广义地说计算光子学有三大类问题：频域特征值求解，频域方程组求解和时域仿真。这些问题均受到广泛的讨论，并已收录在文献中。 Gallagher介绍了用于计算机辅助设计CAD建模光子学的主要算法，与此同时，他还讨论了这些算法各自的优缺点。主要的算法有以下三种：
1波束传播方法BeamPropagationMethod，BPM，
2本征模展开方法EigenmodeExpansionMethod，EME，
3时域有限差分法FiniteDifferenceTimeDomain，FDTD。
我们对上面的三种方法就它们各自的计算速度和内存的使用，以及它们在计算器件中的数值孔径、折射系数、偏振、损耗、反射和非线性进行了比较。作者的结论是，没有任何一种算法对所有的应用程序是完美无缺的。
我们要指出的是计算电磁学已取得远比计算光子学好得多的十分令人振奋的成绩，深入的讨论参阅Jin的讨论。事实上，从电磁波对各种物体散射的分析，天线的分析与设计，微波器件的建模和仿真，直到电磁干扰和电磁兼容性的数值分析，计算电磁学都有极其宽泛的应用。
1.2.2计算纳米光子学
计算纳米光子学这个子域的出现只是近几年以来发生的事情。光子器件尺寸缩小的趋势今后必将使得与光波波长数量级相当的纳米结构发挥越来越重要的作用。在光波波长的尺度内，多次散射和近场效应对光的传播以及光与物质的相互作用将产生深远的影响。因而也将促进新机制的基础研究，以及扩展它在各学科中新的应用。
例如，光子晶体的修正色散关系以及光子晶体光纤将催生新的非线性波传播的效应，如巨孤子的转变和超连续谱的产生。它们将在通信、计量学和医疗诊断方面获得新的应用。由于波干扰和互动过程的复杂性，实验研究在很大程度上依赖于如何设计这种系统以及如何在理论上对测量结果进行解释和指导。在几乎所有情况下，这种系统的定量理论的描述必须借助于先进的数值计算技术，以便求解计算量非常大的线性、非线性或耦合的偏微分方程。
高校在光子晶体结构方面的研究工作正在蓬勃展开，我们相信它必将应用到光通信的全新组件中去，因为目前实验室已经能够实现纳米尺度的晶体结构。纳米技术提供了低成本而更高效的集成光学电路的途径，从无源器件，如滤波器和均衡器，到有源功能器件，如光交换器、互连器件甚至新颖的激光器，处处都可以看到它们的身影。此外，该技术体积更小、带宽更大和损耗更低，因而使新功能的出现和光通信整体成本的降低变得可能。
最终的目标是创建三维光子结构，以便促使计算技术逐步地光学化，甚至迎来全光学计算化的一天。最近对光子学建模，包括对重要的计算方法的回顾可以阅读Obayya的书。
1.2.3光电商用软件一览在光子学中出现的突出进展，在很大的范围内，与可资利用的可靠的软件和技术支撑密不可分。一些主要的商业供应商如下：
1在撰写本书时，OPTIWAVEwww.Optiwave.com已为我们提供了全面的工程设计工具，它为光子学、生物光子学和系统设计工程师创造了综合性的设计环境。目前OPTIWAVE产品包括两大类：①OptiSystem------适合做放大器和光通信系统的设计软件。②OptiSPICE------首个光电电路的设计软件。对于器件设计，它们有以下产品：①OptiBPM，基于光束传播法BPM，用来设计导波、交换、分叉、复用和去复用光信号中的复杂光子传导器件。②OptiFDTD，基于具有二阶数值精度的时域有限差分FDTD算法并采用最佳边界条件，即单轴理想匹配层的方法进行设计。它在电场和磁场中的解适合时域和空域所使用的全矢量微分形式的麦克斯韦方程组。③OptiFiber，使用的数值模式和其他模式，专门用于计算光纤的色散、损失、双折射和偏振模色散PMD。④OptiGrating，采用耦合模理论对光建模，并且分析和合成光栅。
2RSoftwww。rsoftdesign。com产品系列，它包括：通过业界领先的计算机辅助设计系统分析复杂的光子器件和组件，通过全面的仿真技术和组件模型确定光通信和数据通信网络的性能，以及针对成本!--!有效部署的DWDM和SONET技术与设计和优化光网络的网络建模。
3光电设计www。photond。com提供的产品有：无源和有源元件的设计，一款是FIMMWAVE，另一款是CrystalWave。FIMMWAVE是用于波导结构的一个通用的全矢量模式奠基者。它把基于半解析法与其他更多的数值方法，如有限差分或有限元结合了起来。
FIMMWAVE配备了一系列用户友好的可视化工具，适用于波导设计。对各种不同的几何形状实行最优化设计。例如，在外延生长的集成光学器件经常遇到矩形波导，光纤波导中遇到的圆形波导，以及在扩散波导或其他特别的几何结构的波导。
CrystalWave为我们提供了在集成光学元件的布局和设计中使光子晶体结构设计最优化的一个设计环境。它是时域有限差分和频域有限元FEFD的仿真器，并拥有一个用于平面光子晶体结构进行优化的模板文件生成器。
4CST微波工作室www。cst。comContentProductsMWSOverview。aspx是一个三维电磁高频器件的仿真专业工具，它对诸如天线、滤波器、耦合器、平面和多层结构的高频器件进行的分析快速又准确。几个网站专门致力于在光子学软件和光子学中的数值模拟。我们特别提出以下几个，OpticalWaveguides:NumericalModeling^[10]，Photonicsresourcespageuciteashok-photonics以及Photonics软件!!ucitephotonics-software。
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