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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－珀罗干涉仪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

3.6.1 TE偏振46

3.6.2 TM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 一般性讨论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

4.5.1 TE模式79

4.5.2 TE模式的场分布81

4.6 一维方法处理多层平板波导84

4.6.1 TE模式84

4.6.2 传播常数87

4.6.3 电场89

4.6.4 TM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

5.2.6 m=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 啁啾高斯脉冲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

7.1.1 TLS中的跃迁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 半导体中的电子跃迁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 频率啁啾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 光放大器和掺铒光纤放大器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 掺铒光纤放大器（EDFA）223

8.2.1 稳态分析225

8.2.2 有效的二能级方法225

8.3 掺铒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

9.2 SOA脉冲传播速率方程243

9.3 SOA的设计246

9.4 SOA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冲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（FD）近似311

12.3 1＋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：FD-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

13.1 WDM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 耦合器和分束器333

13.2.4 无源耦合器的数学理论334

13.2.5 光隔离器338

13.3 BPM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 非线性薛定谔方程的推导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 啁啾孤子波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A Matlab的基本知识421

A.1 m－文件的工作部分422

A.2 基本法则424

A.3 Matlab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.5.1 写入文件439

A.5.2 读出文件440

A.6 数值微分法440

A.7 复习问题442

参考文献442

附录B 基本数值方法总结443

B.1 单变量的牛顿法443

B.2 穆勒法444

B.3 数值微分448

B.3.1 利用泰勒级数展开的数值微分449

B.3.2 插入多项式的数值微分450

B.3.3 克侬克－尼科尔森法452

B.3.4 数值微分的简单方法452

B.4 龙格－库塔（RK）法455

B.4.1 二阶龙格－库塔法455

B.4.2 四阶龙格－库塔法456

B.5 求解算微分方程456

B.5.1 单个微分方程456

B.5.2 微分方程系统457

B.6 数值积分459

B.6.1 欧拉法459

B.6.2 梯形法则459

B.6.3 辛普森法则460

B.7 Matlab符号积分法461

B.8 傅里叶级数461

B.8.1 改变积分区间462

B.8.2 实例463

B.9 傅里叶变换464

B.10 Matlab中的FFT466

B.11 习题469

参考文献469

附录C本书Matlab清单的作图总汇470

索引481

本书Matlab函数名及关键词索引488