具体描述
随着通信和电子信息产业的飞速发展，微波电子线路在军用、商用和家用电子设备中得到了广泛应用。本书各章由多所高校具有丰富和实践经验的专家。教授和学者共同编写。
本书主要介绍了各种器件的物理概念，还着重讨论了与器件相关的微波电路，尽量注意实际应用。
本书可作为高等院校电子信息类、通信类以及与高频技术相关专业的教材，也可供有关科技工程人员参考。
现代光子学与集成电路：基础、器件与系统 内容简介 本书系统深入地探讨了现代光子学与集成电路领域的理论基础、关键器件以及前沿系统应用。它旨在为电子工程、物理学、材料科学以及相关交叉学科的研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面且深入的学习资源。全书内容严谨，逻辑清晰，覆盖了从基本物理原理到复杂系统设计的多个层面。 第一部分：光子学基础与波导理论 本部分奠定了理解现代光电子系统的物理基础。 第一章：电磁波理论与光传播 本章首先回顾了麦克斯韦方程组在介质中的应用，重点分析了平面电磁波在理想导体、电介质和半导体中的传播特性。详细推导了坡印廷矢量和电磁能量密度，为后续的光束传输分析做准备。随后，深入探讨了光的量子特性，包括光子的概念、能级跃迁的玻尔兹摩德与费米黄金定则，这是理解激光器和光探测器工作原理的基石。重点解析了光在不同材料中的色散关系（波导模式群速度与相速度的关系）以及吸收、散射机制。 第二章：光波导理论与模式分析 光波导是实现光信号传输与调制的关键结构。本章详细介绍了平面波导和圆波导的理论模型。对于平面波导，采用求解亥姆霍兹方程的方法，推导了TE（横电）模式和TM（横磁）模式的截止条件和归一化传播常数。详细分析了单模工作和多模传播的差异，特别是模式耦合与模式色散对信号完整性的影响。随后，扩展到更实用的光纤结构，包括阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。引入了V参数（归一化频率）的概念，精确界定单模光纤的工作窗口。此外，本章也涵盖了拓扑绝缘体光子晶体波导的基本概念及其在限制光场方面的独特优势。 第三章：光在周期性结构中的行为（光子晶体基础） 光子晶体作为一种人造的具有周期性光学性质的材料，是实现超小型化光路控制的关键。本章深入剖析了光子带隙（Photonic Band Gap, PBG）的形成机理，基于布洛赫定理和傅里叶展开法，建立了计算二维和三维光子晶体电子能带图的理论模型。详细讨论了光子晶体波导、光子晶体腔的构造原理及其对光场的高度限制能力，为理解光子集成电路中的谐振器设计提供了理论依据。 第二部分：关键光电子器件原理与设计 本部分聚焦于构成光电子系统的核心有源和无源器件。 第四章：半导体光学发射器件 本章系统阐述了半导体激光器（Laser Diode, LD）的工作原理。从pn结的载流子注入与复合过程开始，推导了光的增益机制。重点分析了量子阱和量子点结构对增益谱的调控作用。详细介绍了激光器的关键性能参数，如阈值电流密度、微分量子效率、线宽与边模抑制比（SMSR）。此外，对表面发射激光器（VCSEL）的结构特性、垂直腔体设计及其在光互连中的应用进行了深入讨论。 第五章：光探测与调制器件 光探测器是实现光电转换的关键环节。本章详细分析了PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）的工作原理，重点关注载流子漂移速度、响应时间、量子效率和噪声特性。引入了接收机灵敏度的概念，并讨论了如何通过优化光敏面积和结电容来提高高速光通信中的性能。 在光调制方面，本章深入探讨了电光效应和声光效应。重点讲解了马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）调制器和受激吸收调制器（SOA）的结构设计与性能优化，包括半波电压、消光比和带宽限制因素。 第六章：集成光学与光子集成电路（PIC） 本部分是连接离散元件到集成系统的桥梁。本章详细介绍了光子集成电路的实现技术，主要包括基于折射率差的波导技术（如InP/InGaAsP、SiON）和硅光子学（Silicon Photonics）。深入分析了耦合器（如定向耦合器、多模干涉耦合器）的设计原理，以及如何利用周期性结构实现高效的片上传输和滤波。讨论了异质集成（Heterogeneous Integration）技术，即在同一芯片上集成半导体激光器与硅基无源器件的关键挑战与进展。 第三部分：高速光通信与传感系统 本部分将理论与器件知识应用于实际的高性能系统设计。 第七章：光纤通信系统与链路分析 本章系统地分析了现代光纤通信系统的架构。从点对点传输系统出发，详细推导了光纤中的色散（包括一阶、二阶色散）和非线性效应（如受激拉曼散射SRS、受激布里渊散射SBS）。重点讲解了色散补偿技术（如色散补偿光纤DCF和光纤布拉格光栅FBG）的原理。对于高速率系统，深入分析了相干光通信技术（如QPSK、16QAM调制）如何通过复杂的数字信号处理（DSP）克服光纤中的损耗和非线性影响。 第八章：高速电子电路与光电器件接口 光电转换的瓶颈往往在于电子电路的性能。本章探讨了驱动激光器的高速调制电路设计（如基于ECL或SiGe技术的驱动器）和跨阻放大器（TIA）的噪声分析与优化。详细讨论了光接收机中的眼图分析、抖动（Jitter）测量与抑制技术，以及如何通过均衡技术（如决策反馈均衡DFE）来补偿信道失真。 第九章：先进传感与测量技术 本章拓展了光电子技术的应用边界。详细介绍了基于光纤传感器的原理，如利用布拉格光栅（FBG）进行应变和温度监测，以及基于法布里-珀罗干涉仪的压力和位移测量。重点分析了光学相干层析成像（OCT）技术，包括其成像原理、信号处理流程及其在生物医学成像中的应用。最后，讨论了基于微波光子学（Microwave Photonics）将高速光信号处理技术应用于雷达和电子战系统的潜力。 总结与展望 全书的脉络从基础物理延伸至复杂的系统集成，旨在培养读者建立起从微观器件行为到宏观系统性能的完整认知框架。本书强调理论的深度与工程实践的结合，为致力于下一代高速光互连、全光网络和高精度光传感领域的专业人士提供了坚实的理论基础和实用的设计工具。
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