Introduction to optical waveguide analysis pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Wiley-Interscience

作者:Kenji Kawano

出品人:

页数:304

译者:

出版时间:July 20, 2001

价格:$110.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471406341

丛书系列:

图书标签:

光波导
光学
光纤
集成光学
光通信
电磁场理论
数值分析
光学设计
微波光子学
光学工程

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具体描述

This in-depth, self-contained introduction to optical waveguide analysis, will be of great use to engineers and researchers in all fields using guided-wave optics--from fiber optics communication to integrated optical electronics. Part one examines various analytic approximation methods for three-layer optical dielectric waveguides, uniform core optical fiber, and 2-D and 3-D optical waveguides. Part two details the finite-element method--a numerical technique for cases in which approximation methods are inadequate. Numerous illustrative examples demonstrate the analysis of 2-D and 3-D optical waveguides, axisymmetric and non-axisymmetric optical fibers, and nonlinear optical waveguides.

光电子学前沿：下一代光波导器件的理论与实践内容提要：本书深入探讨了光电子学领域中光波导技术的前沿进展与未来发展方向，特别聚焦于新型波导材料、超材料结构以及集成光学系统中的关键挑战与创新解决方案。全书旨在为高等院校的博士生、光电子领域的研究人员及资深工程师提供一套系统、深入且富有洞察力的理论框架与实际操作指南。本书并未涉及传统光纤或标准集成光路中的基础分析方法，而是将重点放在了突破当前性能极限所需的颠覆性技术上。 --- 第一部分：超材料与拓扑光子学在波导设计中的应用第一章：超材料集成波导的电磁场调控本章详细剖析了基于人工电磁超材料（Metamaterials）设计的波导结构，这些结构超越了传统介质材料的自然限制，实现了对光波前传播特性的精细操控。我们首先回顾了负折射率材料与超表面（Metasurfaces）的基本物理原理，然后深入研究了如何利用这些结构来构造具有超分辨成像能力和极端弯曲能力的集成波导。重点分析了超材料波导的损耗机制，特别是欧姆损耗与辐射损耗在亚波长尺度下的耦合效应，并提出了基于时域有限差分（FDTD）和有限元法（FEM）的混合建模技术，用于精确预测器件的实际性能。本章还涵盖了频率选择性超材料波导在通信波段的动态调谐机制，这对于开发可重构光网络至关重要。第二章：拓扑绝缘体与非互易光传输本章聚焦于拓扑光子学在光波导设计中的革命性应用。我们从拓扑不变量（如Chern数）在光子系统中的映射关系出发，详细阐述了如何通过设计具有特定空间对称性破缺的晶格结构，来实现拓扑保护下的光流传输。重点讨论了磁光效应在拓扑绝缘体波导中的关键作用，如何利用外部磁场诱导非互易性（即光在不同方向传播时的损耗或相位特性不同），从而构建无回波损耗的单向光传输线。此外，本章还探讨了拓扑边缘态在复杂光路中的鲁棒性，分析了在制造缺陷和材料不均匀性对拓扑保护强度的影响。第二部分：非线性光学与高维度波导系统第三章：超快非线性效应在亚皮秒波导中的动力学本章深入研究了在极高光功率密度下，光波导内部发生的非线性光学现象及其对光信号完整性的影响。我们摒弃了对标准Kerr效应的常规描述，转而关注于高阶非线性效应，如自加深效应（Self-accelerating effects）、超连续谱（Supercontinuum generation）的产生机理以及光孤子在非均匀介质中的演化。重点分析了如何通过精心设计的波导截面几何形状（例如，口袋型波导或多芯波导）来优化非线性耦合系数和群速度色散（GVD）参数，以实现在超短脉冲压缩和高精度时间编码方面的突破。本章还包括了拉曼散射和布里渊散射在高速光信号处理中的抑制策略。第四章：多模波导与空间光复用技术本章探讨了超越单模传输限制的多模光波导（Multimode Waveguides, MMWs）的设计与应用。核心内容是如何有效地分离和控制不同空间模式（如LP模式或HE/EH模式）之间的耦合与串扰。详细介绍了模式正交化技术，以及如何利用模式正交分解（MOD）来解析复杂输入信号在多模波导中的传输特性。本章深入分析了用于模式解复用的光子晶体结构和基于空间光调制器（SLM）的动态模式转换器。特别关注了在太赫兹（THz）频段中，利用高维模式复用实现极高带宽光互连的技术挑战与前沿进展。第三部分：集成光子学中的先进制造与集成挑战第五章：新型半导体材料与异质集成平台本章侧重于超越传统硅基光子学（Si-Photonics）的材料创新。详细讨论了基于III-V族半导体（如InP, GaAs）与二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物TMDCs）在光波导器件中的集成潜力。重点分析了这些异质集成平台在实现片上激光器、调制器以及高增益放大器方面的独特优势与技术瓶颈。探讨了晶圆键合、原子层沉积（ALD）以及选择性外延生长（SEG）等先进制造工艺对控制界面缺陷和提高光子/电子耦合效率的影响。本章不涉及硅光子的标准CMOS兼容性讨论。第六章：波导损耗的量子限域与探测本章关注于极限低损耗波导的设计目标和测量极限。我们从量子电动力学（QED）的角度，重新审视了材料吸收、散射损耗的根本限制。重点分析了在纳米尺度波导中，表面粗糙度散射的非线性依赖关系，并提出了基于超低损耗损耗（Ultra-Low Loss）环形谐振腔（RAC）的痕量吸收光谱学技术，用于精确量化材料本征损耗。此外，本章详细介绍了先进的近场扫描光学显微镜（NSOM）技术，用于可视化和定位波导内部的“暗损耗”区域，指导下一代光通信芯片的优化。 --- 本书特色：本书的理论分析建立在严格的电磁场理论基础上，避免了对基础概念的重复阐述。每一章节都侧重于解决当前光电子器件集成化、小型化过程中遇到的关键性能瓶颈。全书提供了大量的数值模拟案例和实验验证数据对比，旨在推动读者从理论理解走向尖端器件的实际设计与制造。它是一部面向未来光子系统开发者的深度技术手册。