The Essence of Dielectric Waveguides pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Yeh, C./ Shimabukuro, F. I.

出品人:

页数:538

译者:

出版时间:2008-6

价格:$ 202.27

装帧:

isbn号码:9780387309293

丛书系列:

图书标签:

• Dielectric Waveguides
• Optical Waveguides
• Photonics
• Electromagnetics
• Optical Fiber Communication
• Waveguide Theory
• Optical Materials
• Nanophotonics
• Integrated Optics
• Microwave Engineering

《光子学前沿：介质波导的结构、理论与应用》 书籍简介 本书旨在全面、深入地探讨现代光子学领域中介质波导技术的最新进展、基本原理及其在不同应用场景下的实现。本书内容横跨基础物理、材料科学、器件设计与系统集成等多个学科交叉领域，力求为研究人员、工程师及高年级学生提供一个既具理论深度又贴合工程实践的知识框架。 第一部分：介质波导的物理基础与理论建模 本部分首先系统回顾了电磁波在介质结构中传播的基本理论。重点阐述了麦克斯韦方程组在非均匀介质中的应用，并详细介绍了模式理论。我们深入剖析了不同类型波导（如脊型波导、包层波导、光纤结构）的横截面电磁场分布，包括 $ ext{TE}$ 模式、$ ext{TM}$ 模式以及准 $ ext{TEM}$ 模式的精确求解方法。 理论建模部分着重于有效折射率法（Effective Index Method, EIM）、有限元法（Finite Element Method, FEM）和时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）在分析复杂波导结构中的应用与局限性。特别地，我们引入了微扰理论来评估结构缺陷或温度变化对波导性能（如损耗和色散）的影响。对非线性光学效应（如克尔效应、自相位调制）在波导中的建模进行了详尽的论述，这是理解超快光脉冲传输和光开关设计的基础。 第二部分：先进介质材料与波导制造工艺 介质波导的性能极大地依赖于所使用的材料及其制造精度。本部分聚焦于集成光子学和光子集成电路（PIC）对新材料的需求。 我们详细讨论了硅基光子学，包括晶圆键合、SOI（Silicon-On-Insulator）结构的设计考量，以及在深紫外和近红外波段的性能优化。此外，对氮化硅 ($ ext{Si}_3 ext{N}_4$) 波导的优势进行了深入分析，强调了其在提高功率处理能力和降低光学损耗方面的潜力。 在半导体材料方面，本书涵盖了III-V族材料（如 $ ext{InP}$）在实现光源与波导集成方面的关键技术。对于铌酸锂（$ ext{LiNbO}_3$）等电光材料，我们探讨了如何通过其电光系数来实现高速调制器的集成。 制造工艺方面，本书详细介绍了电子束光刻（EBL）、深紫外光刻在定义纳米级波导结构中的精度控制。对于等离子体刻蚀（RIE），我们着重分析了侧壁粗糙度对光场散射损耗的影响，并介绍了通过优化刻蚀参数以获得光滑波导轮廓的技术。 第三部分：关键波导器件的设计与优化 本部分是本书的工程核心，专注于如何利用先进的波导结构实现特定的光功能。 耦合与连接： 我们探讨了实现低损耗光纤到芯片耦合的关键技术，包括锥形耦合器（Taper Couplers）、光栅耦合器（Grating Couplers）的设计原理和耦合效率的提升策略。对间隙耦合器（Gap Couplers）和定向耦合器（Directional Couplers）的耦合长度与耦合系数的精确计算进行了阐述。 无源器件： 详细分析了马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、环形谐振器（Ring Resonators）和布拉格光栅（Bragg Gratings）的原理。对于环形谐振器，我们聚焦于如何通过调整耦合强度和器件尺寸来精确控制其品质因数（Q值）和带宽，以满足滤波或传感需求。对于光栅，则重点讨论了耦合模理论（Coupled Mode Theory, CMT）在分析其传输特性中的应用。 有源与非线性器件： 本章深入研究了集成激光器（如$ ext{DBR}$、$ ext{DFB}$结构）与波导的集成。同时，对基于光波导的非线性器件，如四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering）的波导结构要求进行了深入分析，强调了高非线性系数和低色散的必要性。 第四部分：波导的动态特性与系统集成 现代光子系统对波导的动态响应和系统级性能提出了更高的要求。 色散管理： 本部分重点阐述了群速度色散（GVD）和高阶色散对超快光脉冲传输的影响。我们详细介绍了通过结构设计（如采用弯曲波导、阶梯形折射率分布）实现零色散或负色散的技术，包括零色散波长（ZDW）的精确控制。 多模干涉与波分复用（WDM）： 讨论了多模干涉（MMI）耦合器的设计原则及其在波长选择和光束整形中的应用。在 $ ext{WDM}$ 系统中，我们分析了阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratings, $ ext{AWG}$）的串扰、通道间隔控制以及热稳定性优化。 传感应用： 本部分讨论了波导结构如何作为高灵敏度传感器。通过分析波导的有效折射率对外部环境（温度、折射率变化）的敏感性，我们展示了如何利用耦合波导阵列或表面等离子体共振增强效应实现对痕量化学物质或生物分子的检测。 结论与展望： 本书最后总结了当前介质波导技术面临的挑战（如损耗降低、大规模集成、异质集成）和未来发展方向，展望了光电混合集成、量子光子学对下一代波导提出的新要求。 全书配有大量的专业图表、关键公式推导以及贯穿始终的工程实例分析，旨在确保读者不仅掌握理论，更能有效地将其转化为实际工程设计能力。

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