計算光子學——MATLAB導論 [Computational Photonics an Introduction With MATLAB] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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産品特色

編輯推薦

適讀人群 ：理工科大學光電專業、光通信和微電子專業高年級本科生，可作為計算物理專業教學參考書，光電、通信企業科技研發人員和研究生
本書從物理概念齣發，建立相應的理論模型，針對光學器件的工作原理、工作模式，將光子學問題歸結為特徵方程求根、積分求解、常微分方程求解等積分數值求解問題，在對相應數值分析方法進行簡要介紹的基礎上結閤Matlab強大的數值計算和圖形顯示功能，完成光子學問題的仿真計算並給齣圖形化的顯示結果。

內容簡介

《計算光子學——MATLAB導論》是光電子學和光電器件理論係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，逐一討論瞭激光束在光波導和綫狀光縴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》論述瞭光孤子、人陽能光電池和最近幾年纔齣現的超材料。《計算光子學——MATLAB導論》不僅有係統的光瞭學的理論和計算公式，而且通過Matlab進行各種仿真計算，獲得瞭激光束在波導和光縴中傳播以及光放大器工作時的效果圖，《計算光子學——MATLAB導論》收錄瞭60多個存Matlab中使用的編程，可供讀者學習使用。

目錄

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 光縴通信 5
1.3.1 光縴通信的簡介 5
1.3.2 通信簡史 5
1.3.3 光縴的發展 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 矽光子學 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 射綫理論及其應用 17
2.1.2 臨界角 18
2.1.3 透鏡 19
2.1.4 摺射率梯度變化係統 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 斯托剋斯關係 25
2.2.4 電介質薄膜中的乾涉 26
2.2.5 平闆中光束的多次乾涉 28
2.2.6 法布裏珀羅乾涉儀 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 麥剋斯韋方程組 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 綫偏振波 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
3.6.1 TE偏振 46
3.6.2 TM偏振 49
3.7 電介質界麵反射造成的偏振 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 平闆波導 69
4.1 平闆波導的射綫光學 69
4.1.1 數值孔徑 69
4.1.2 導波模式 70
4.1.3 橫嚮共振條件 71
4.1.4 橫嚮條件歸 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 平麵寬波導的波動方程 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麵波導的模式 81
4.5.1 TE模式 81
4.5.2 TE模式的場分布 83
4.6 一維方法處理多層平闆波導 86
4.6.1 TE模式 86
4.6.2 傳播常數 89
4.6.3 電場 91
4.6.4 TM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 綫性光縴和信號退化 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 光縴的信息運載能力 117
5.1.4 矽光縴的損耗機製 118
5.1.5 固有損耗 119
5.1.6 外在損耗 119
5.2 柱坐標中的光縴模式 119
5.2.1 柱坐標中的麥剋斯韋方程 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 單模光縴的截止波長 132
5.2.10 單模光縴中的電場分布 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 綫性脈衝的傳播 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 調製製式 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 綫性脈衝的數學理論 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 傅裏葉變換的數值方法 172
6.5.3 傅裏葉分步變換法 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
7.1.1 TLS中的躍遷 192
7.1.2 激光振蕩和諧振模式 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 綫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 光放大器相摻鉺光縴放大器 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 摻鉺光縴放大器(EDFA) 239
8.2.1 穩態分析 241
8.2.2 有效的二能級方法 241
8.3 摻鉺光縴放大器的增益特性 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 具有小端麵反射率的SOA增益公式 255
9.1.2 小端麵反射率的影響 258
9.2 SOA脈衝傳播速率方程 259
9.3 SOA的設計 262
9.4 SOA的應用 264
9.4.1 波長轉換 264
9.4.2 基於乾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 傅裏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BPM 327
12.2.4 標量公式 327
12.2.5 有限差分(FD)近似 327
12.3 1+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
13.1 WDM係統之基本 347
13.2 基本的WDM技術 348
13.2.1 光縴布拉格光柵 348
13.2.2 陣列波導柵格 349
13.2.3 耦閤器和

精彩書摘

　　《計算光子學：MATLAB導論》：
　　緒言
　　1.1 什麼是光子學
　　聯閤國宣布2015年為光和光技術國際年(TheInternationalYearofLightandLight-basedTechnologies，2015)，因為2015年恰逢光科學曆史上一係列重要的裏程碑周年紀念，包括1015年伊本　　海賽姆(IbnAi-Haythan)的光學著作、1815年菲涅耳(Fresnel)提齣的光波概念、1865年麥剋斯韋(Maxwell)提齣的光電磁傳播理論、1905年愛因斯坦(Einstein)的光電效應理論和1915年通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在要素。考慮到光對人類生活和科技的巨大影響，2015年舉辦光年的一係列的紀念活動實屬十分必要和及時。光量子，簡稱光子，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規範玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子(如電子和誇剋)相比，光子沒有靜止質量(愛因斯坦的運動質量公式E=mc^2中，光子的v=c，使得公式分母為0，但光子的運動質量m具有有限值，故光子的靜止質量必須為零)，光子有速度、能量、動量、質量，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。
　　光子學與電磁場學緊密相關，從某種意義上說，光子是電磁場中的基本粒子。光子與電子是相互平行並列的，電子涉及電子器件，而光子則與光電器件，或者光電係統密切關聯。事實上，這兩個領域(電子和光子)有很多共同點。不僅如此，光子學和電子學相互滲透，已渾然成一體。例如，激光器是用電驅動，使激光物質內部的粒子數反轉通過能級躍遷發射齣光束，又例如，電信號用來調製光束以便傳送數據、語音和視頻。
　　光子學的應用離不開光子，與此類似，電子學的應用靠的是電子。然而，用光傳送數據比用電傳送信息要更勝一籌。此外，光子本身之間沒有相互作用(這是其優點，有時又是缺點)，所以光束之間可以相互穿越，而彼此無互動不受乾擾。
　　即使大約十多年前發生的電信“泡沫”時期，光子學下屬的光縴通信仍然是一個非常重要和活躍的領域。例如，一根光縴具有同時進行大約三百萬對電話通話的能力。2014年10月，來自美國和荷蘭的科學傢利用光學信號在新型的光縴中創下瞭255TB/s的驕人成績。通俗點說，他們能在1s內傳輸255T字節(terabytes)的數據，或者用0。004s的時間即可把1TB硬盤裏的全部內容傳輸到另一地方。這一速度要比目前商用光縴的帶寬高齣21倍，還遠高於同年由丹麥DTU大學創造的43Tbit/s的速率。這是以前電纜時代根本無法想象的超快速傳輸。2011年諾貝爾物理學奬頒發給瞭光縴技術的鼻祖高錕，3年後，2014年的諾貝爾物理學奬又授予發明藍光發光二極管(藍光LED)的日本科學傢。由此可見光學在人類生活和科技中的顯要地位。自2000年的危機後，光子的許多新應用逐漸湧現並受到注意。生物光子學和醫學光子學是其中的佼佼者。開宗明義，本書討論的是光子學的計算方法和程序。我們將廣為科技界使用的Matlab運用到光子學的各個領域。嘗試從更廣的角度來討論什麼是計算光子學以及學習計算光子學的意義。我們將簡要地總結光子學下屬的幾個分領域，特彆側重於光縴通信，以瞭解光子學未來的潛能。計算光子學對我們所設計的光學器件和光學係統有著極其重要的作用，它不僅減少瞭投資新建測試設備的成本，而且極大地加快瞭研發的速度和進程。我們還將用更寬闊的視野看待什麼是光子學，什麼是光子學當前的活躍領域，以及在哪裏可以得到有關光子學最新的信息。
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前言/序言

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