本书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。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, 本书论述了光孤子、太阳能光电池和最近几年才出现的超材料。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。

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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 23
2.2.2 群速度 23
2.2.3 斯托克斯关系 25
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 57
3.10 古斯汉欣位移 62
3.11 坡印亭定理 63
3.12 习题 64
3.13 课题 65
附录3A：本章Matlab的函数清单和代码 65
参考文献 68
第4章 平板波导 69
4.1 平板波导的射线光学 69
4.1.1 数值孔径 69
4.1.2 导波模式 70
4.1.3 横向共振条件 71
4.1.4 横向条件归 化形式 72
4.2 电介质波导的电磁学理论基础 74
4.2.1 一般性讨论 74
4.2.2 通用方程的简约形式 76
4.3 平面宽波导的波动方程 77
4.4 三层对称的导波结构(TE模式) 78
4.4.1 算法 81
4.5 维任意三层不对称平面波导的模式 81
4.5.1 TE模式 81
4.5.2 TE模式的场分布 83
4.6 一维方法处理多层平板波导 86
4.6.1 TE模式 86
4.6.2 传播常数 89
4.6.3 电场 91
4.6.4 TM模式 91
4.7 一维方式的实例 92
4.7.1 四层无衰减波导 92
4.7.2 六层耗散波导 92
4.7.3 维瑟结构 94
4.8 二维结构 95
4.9 习题 98
4.10 课题 98
附录4A：本章Matlab的函数清单和代码 99
参考文献 113
第5章 线性光纤和信号退化 115
5.1 几何光学概述 115
5.1.1 数值孔径(NA) 116
5.1.2 多路径色散 117
5.1.3 光纤的信息运载能力 117
5.1.4 硅光纤的损耗机制 118
5.1.5 固有损耗 119
5.1.6 外在损耗 119
5.2 柱坐标中的光纤模式 119
5.2.1 柱坐标中的麦克斯韦方程 120
5.2.2 柱坐标的波动方程 121
5.2.3 柱坐标中波动方程的解 122
5.2.4 边界条件和模式方程 125
5.2.5 模式分类 126
5.2.6 几种导波模式和它们的特征方程 126
5.2.7 弱导波近似 129
5.2.8 基模HE11的通用关系 131
5.2.9 单模光纤的截止波长 132
5.2.10 单模光纤中的电场分布 134
5.3 色散 136
5.3.1 群延时的概论 136
5.3.2 材料色散：谢米尔方程 137
5.3.3 波导色散 138
5.4 传播中的脉冲色散 139
5.5 习题 141
5.6 课题 141
附录5A：贝塞尔函数的特性 141
附录5B：特征行列式 142
附录5C：本章Matlab的函数清单和代码 144
参考文献 155
第6章 线性脉冲的传播 157
6.1 基本脉冲 157
6.1.1 矩形脉冲 157
6.1.2 高斯脉冲 159
6.1.3 超高斯脉冲 160
6.1.4 啁啾高斯脉冲 160
6.2 半导体激光器的调制 161
6.2.1 调制制式 162
6.2.2 波形的建立 164
6.3 存在色散时脉冲传播方程的简单推导 165
6.4 线性脉冲的数学理论 167
6.5 脉冲的传播 171
6.5.1 啁啾高斯脉冲传播的分析 171
6.5.2 傅里叶变换的数值方法 172
6.5.3 傅里叶分步变换法 174
6.6 习题 176
附录6A：本章Matlab的函数清单和代码 176
参考文献 189
第7章 光源 190
7.1 激光器的概论 190
7.1.1 TLS中的跃迁 192
7.1.2 激光振荡和谐振模式 193
7.2 半导体激光器 195
7.2.1 半导体中的电子跃迁 197
7.2.2 同质pn结 199
7.2.3 异质结构 200
7.2.4 光学增益 202
7.2.5 确定光增益 203
7.3 速率方程 205
7.3.1 载流子 206
7.3.2 光子 206
7.3.3 速率方程参数 207
7.3.4 电场速率方程的推导 208
7.4 速率方程的分析 211
7.4.1 稳态分析 211
7.4.2 线性增益模式的小信号分析 211
7.4.3 增益饱和时的小信号分析 213
7.4.4 量子阱激光器的大信号分析 216
7.4.5 频率啁啾 216
7.4.6 等效电路模式 217
7.4.7 体激光器的等效电路 217
7.5 激光调Q技术 220
7.6 习题 221
7.7 课题 221
附录7A：本章Matlab的函数清单和代码 221
参考文献 230
第8章 光放大器相掺铒光纤放大器 233
8.1 一般特性 235
8.1.1 增益谱和带宽 235
8.1.2 增益饱和 237
8.1.3 放大器噪声 238
8.2 掺铒光纤放大器(EDFA) 239
8.2.1 稳态分析 241
8.2.2 有效的二能级方法 241
8.3 掺铒光纤放大器的增益特性 242
8.4 习题 244
8.5 课题 245
附录8A：本章Matlab的函数清单和代码 245
参考文献 252
第9章 半导体光放大器(SOA) 254
9.1 一般性讨论 254
9.1.1 具有小端面反射率的SOA增益公式 255
9.1.2 小端面反射率的影响 258
9.2 SOA脉冲传播速率方程 259
9.3 SOA的设计 262
9.4 SOA的应用 264
9.4.1 波长转换 264
9.4.2 基于干涉原理的全光学逻辑 265
9.5 习题 266
9.6 课题 267
附录9A：本章Matlab的函数清单和代码 267
参考文献 268
第10章 光接收器件 270
10.1 主要特征 271
10.1.1 接收器灵敏度 271
10.1.2 动态范围 271
10.1.3 比特率透明度 271
10.1.4 比特图的独立性 271
10.2 光检测器 271
10.2.1 光检测原理 272
10.2.2 光检测器的性能参数 275
10.2.3 光检测器噪声 277
10.2.4 检测器的设计 279
10.3 接收器之分析 280
10.3.1 理想光接收器的比特误差 281
10.3.2 接收器的误差概率 282
10.3.3 比特误码率和高斯噪声 284
10.4 光电接收器的建模 287
10.5 习题 287
10.6 课题 287
附录10A：本章Matlab的函数清单和代码 288
参考文献 289
第11章 时域有限差分法 291
11.1 通用公式 291
11.1.1 三维公式 292
11.1.2 二维公式 292
11.1.3 一维模型 293
11.1.4 高斯脉冲和调制高斯脉冲 294
11.2 无色散时的一维叶氏算法 295
11.2.1 无损耗情况 295
11.2.2 确定网格尺度 297
11.2.3 色散与稳定性 298
11.2.4 稳定性判据 300
11.2.5 维有损耗模式 300
11.3 一维边界条件 301
11.3.1 穆尔一阶吸收边界条件(ABC) 301
11.3.2 一 维二阶边界条件 303
11.4 二维无色散的叶氏算法 305
11.5 二维吸收边界条件 307
11.6 色散 309
11.7 习题 310
11.8 课题 310
附录11A：本章Matlab的函数清单和代码 311
参考文献 317
第12章 波束传播法(BPM) 318
12.1 傍轴会式 319
12.1.1 引言 319
12.1.2 运算子和 320
12.1.3 傅里叶变换分步法的实施 321
12.2 一般理论 323
12.2.1 绪论 323
12.2.2 慢变化包络近似(SVEA) 325
12.2.3 半矢量BPM 327
12.2.4 标量公式 327
12.2.5 有限差分(FD)近似 327
12.3 1+1维有限差分波束传播法公式 328
12.3.1 简单近似 329
12.3.2 传播运算子方法 329
12.3.3 透明边界条件 334
12.4 结束语 336
12.5 习题 337
12.6 课题 337
附录12A：FD-BPM方程的推导细节 337
附录12B：本章Matlab的函数清单和代码 340
参考文献 345
第13章 波分复用(WDM)器件 347
13.1 WDM系统之基本 347
13.2 基本的WDM技术 348
13.2.1 光纤布拉格光栅 348
13.2.2 阵列波导栅格 349
13.2.3 耦合器和分束器 349
13.2.4 无源耦合器的数学理论 350
13.2.5 光隔离器 354
13.3 BPM在光电器件中的应用 354
13.4 课题 355
附录13A 本章Matlab的函数清单和代码 356
参考文献 362
第14章 光链路 364
14.1 光通信系统 364
14.2 设计光链路 365
14.2.1 功率预算分析 366
14.2.2 上升时间预算 367
14.3 测量光链路性能 368
14.4 线性系统的光滤波器 370
14.5 基于滤波功能的光链路模式 372
14.5.1 方脉冲的试验分析 372
14.5.2 发射器 373
14.5.3 光纤 374
14.5.4 接收器 375
14.5.5 光链路模型的实现 375
14.6 习题 376
14.7 课题 376
附录14A：本章Matlab的函数清单和代码 376
参考文献 381
第15章 光孤子 384
15.1 非线性光学极化率 384
15.2 主要的非线性效应 385
15.2.1 克尔效应 385
15.2.2 受激拉曼散射 386
15.3 非线性薛定谔方程的推导 386
15.4 分步傅里叶方法 390
15.4.1 分步傅里叶变换法 392
15.4.2 对称分步傅里叶变换法 393
15.5 数值结果 393
15.5.1 单孤子 394
15.5.2 啁啾孤子波 395
15.5.3 两个相互作用的孤子波 395
15.6 基于孤子通信的几个结论 396
15.7 习题 397
附录15A：本章Matlab的函数清单和代码 397
参考文献 399
第16章 光伏电池 401
16.1 引言 401
16.2 光伏电池原理 403
16.3 光伏电池的等效电路 406
16.3.1 基本模型 406
16.3.2 其他模犁 407
16.4 多结光伏电池 409
16.4.1 多结量子点 410
16.4.2 中间带光伏电池 410
16.4.3 数值仿真的作用 411
附录16A：本章Matlab的函数清单和代码 412
参考文献 414
第17章 超材料 416
17.1 引言 416
17.1.1 超材料简史 418
17.2 韦谢拉戈方法 419
17.2.1 波动方程 419
17.2.2 左手材料 420
17.2.3 光线的折射 420
17.3 如何构造超材料 421
17.3.1 在微波下超材料具有负有效介电常数 421
17.3.2 磁学性能：开口环振荡器(SRR) 423
17.4 超材料的 些应用 427
17.4.1 完美透镜 427
17.4.2 在超材料中的静止光 427
17.4.3 隐形伪装 429
17.4.4 光学黑洞 430
17.5 有源超材料 431
17.6 特别加注的参考书目 431
附录17A：本章Matlab的函数清单和代码 432
参考文献 434
第18章 光子及其量子特性和应用 437
18.1 光子 437
18.1.1 光子与基本粒子 437
18.1.2 光子的基本参数 439
18.1.3 光子的能量和动量 440
18.1.4 光子的波粒两重性 440
18.2 光的量子纠缠 441
18.3 光的量子密钥分发 443
18.3.1 量子密钥交换 443
18.3.2 量子密钥分发协议 443
18.4 光的量子雷达 446
18.5 光量子计算机 448
18.5.1 光计算机与光量子计算机 448
18.5.2 量子算法和编程 449
18.5.3 量子计算机的实现难度 450
附录18A：本章Matlab的函数清单和代码 450
参考文献 453
附录AMatlab的基本知识 455
A.1 m-文件的工作部分 456
A.2 基本法则 458
A.3 Matlab编程中的良好习惯 459
A.3.1 预置内存 460
A.3.2 矢量化的循环 460
A.4 作图之基本 461
A.4.1 二维作图之基本 461
A.4.2 二维作图 461
A.4.3 三维作图和动画作图 465
A.5 基本的输入输出 473
A.5.1 写入文件 473
A.5.2 读出文件 474
A.6 数值微分法 474
A.7 复习问题 476
参考文献 476
附录B 基本数值方法总结 477
B.1 单变量的牛顿法 477
B.2 穆勒法 478
B.3 数值微分 482
B.3.1 利用泰勒级数展开的数值微分 483
B.3.2 插入多项式的数值微分 484
B.3.3 克侬克-尼科尔森法 486
B.3.4 数值微分的简单方法 486
B.4 龙格库塔(RK)法 489
B.4.1 二阶龙格库塔法 489
B.4.2 四阶龙格库塔法 490
B.5 求解算微分万程 490
B.5.1 单个微分方程 490
B.5.2 微分方程系统 491
B.6 数值积分 493
B.6.1 欧拉法 493
B.6.2 梯形法则 493
B.6.3 辛普森法则 494
B.7 Matlab符号积分法 495
B.8 傅里叶级数 495
B.8.1 改变积分区间 496
B.8.2 实例 497
B.9 傅里叶变换 498
B.10 Matlab中的FFT 500
B.11 习题 503
参考文献 503
附录C 本书Matlab清单的作图总汇 504
附录D 有关“光量子学”的视频节目 515
索引 519
本书Matlab函数名及关键词索引 526

　　《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。