具体描述
Provides a description of the principles and practical applications of Fibre Bragg gratings technology. The authors explain the underlying physics and practical aspects. Topics covered include photosensitivity; properties; inscribing grating; detailed applications coverage in both telecommunications and sensing and a look at the technology of this technology on the marketplace.
飞跃的波导：新型光子集成电路中的高精度光纤元件设计与应用 作者： [此处留空，或填入其他虚构作者信息] 出版社： [此处留空，或填入其他虚构出版社信息] ISBN： [此处留空，或填入其他虚构ISBN信息] --- 内容简介 本书深入探讨了光子集成电路（PICs）领域中，一类至关重要的无源和有源光纤元件的原理、设计、制造以及前沿应用。不同于侧重于特定波导结构或光栅理论的传统教材，本书将视角聚焦于如何利用非传统光纤结构、微纳加工技术以及先进材料科学的交叉点，实现对光信号在时域、频域和空间域的精密操控。 本书旨在为光电子工程、物理学和材料科学的研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一本全面、深入且具有前瞻性的参考指南。我们避开了对基础布拉格光栅（FBG）本身的详尽论述，转而探索其衍生概念和下一代光子器件的构建模块。 第一部分：光子集成电路的基础与挑战（约 300 字） 本部分首先回顾了光子集成电路（PICs）的发展历程及其在电信、传感和量子计算中的战略地位。重点分析了当前集成系统面临的关键瓶颈：器件的尺寸、损耗、可扩展性与温漂问题。我们详细阐述了异质集成（Heterogeneous Integration）的必要性，特别是如何将高品质的无源光子学器件与半导体电子器件或非线性光学材料有效地耦合。此外，本章还引入了硅光子学（Silicon Photonics）、铌酸锂（Lithium Niobate） 和 III-V族半导体 等主流平台在实现大规模集成方面的优劣势对比，为后续章节中对特定元件的设计奠定理论基础。我们着重讨论了如何通过优化界面工艺，最大限度地减少由于材料失配导致的散射损耗和模式耦合效率的下降。 第二部分：新型波导结构与模式操控（约 450 字） 本部分是本书的核心技术章节之一，专注于超越传统单模/多模光纤的微纳尺度波导结构。 2.1 亚波长光子晶体波导 (PhC Waveguides)： 详细分析了光子晶体结构如何通过周期性排列的空气孔实现对光场的强约束和弯曲，即使在极小的弯曲半径下也能保持极低的损耗。我们引入了有效折射率模型和有限元法（FEM） 来精确预测模式的传播特性，并探讨了如何利用晶格失真（Lattice Defects）来设计高Q值的谐振腔和耦合器。 2.2 拓扑光子学与保护传输： 探讨了拓扑绝缘体在光子学中的应用，特别是拓扑边缘态在抵抗制造缺陷和表面散射方面的独特优势。我们展示了如何设计二维光子晶体边界，实现光信号在复杂路径上的无反射传输，这对于构建高鲁棒性的光路至关重要。 2.3 耦合模式理论（CMT）的高级应用： 深入讲解了如何运用扩展的耦合模式理论来描述多波导阵列（如耦合器阵列或定向耦合器）中的能量交换。重点在于如何通过精细调控波导间距和耦合长度，实现对特定模式的滤波和解复用功能，而非依赖于光栅反射。 第三部分：无源集成器件的高精度设计（约 400 字） 本部分聚焦于在集成平台上实现光信号的滤波、分离和调制所需的关键无源器件的设计技术。 3.1 环形谐振腔（RACs）的设计与优化： 详细分析了RACs作为高Q值滤波器的潜力。内容涵盖了欧姆电阻阻尼的建模、相位匹配的优化，以及如何通过Mach-Zehnder干涉仪（MZI） 结构与RACs相结合，实现全通带解耦的滤波器设计。我们特别讨论了热光效应（Thermo-Optic Effect）补偿机制的设计，以提高器件的温度稳定性。 3.2 阵列波导光栅（AWGs）的性能提升： 深入剖析了AWG作为多路复用器的设计难点，尤其是在宽带操作和低串扰之间的权衡。分析了如何通过非对称耦合器和瞳孔函数（Pupil Function） 的优化来改善其带宽和插入损耗。 3.3 非线性光学元件： 介绍了如何利用高非线性材料（如硅基或铌酸锂基平台）设计四波混频（FWM） 器件和频率梳发生器。重点在于如何通过控制波导的有效非线性系数（$gamma_{eff}$） 和色散特性（零色散波长），来实现高效的波长转换和超快脉冲整形。 第四部分：光电器件与先进封装（约 350 字） 本部分转向集成电路的实际操作层面，探讨了如何将光有源器件（如激光器和探测器）与无源波导网络高效连接，并实现稳定封装。 4.1 激光源的集成与耦合： 详细比较了外腔式集成激光器（EELs） 和边缘发射激光器（EBLs） 在集成电路中的应用。重点分析了如何利用亚波长光栅耦合器（Sub-wavelength Grating Couplers） 或垂直耦合结构，实现激光器到波导的高效、低损耗注入，这是构建片上光源的关键步骤。 4.2 高速调制器的设计原理： 聚焦于电光调制器（EOMs），特别是基于铌酸锂和载流子耗尽效应的调制器。书中详细推导了调制器带宽、半波电压 ($V_{pi}$) 和插入损耗之间的关系，并介绍了MZI型调制器的拓扑优化方法，以实现Tb/s量级的调制速率。 4.3 封装技术与可靠性： 讨论了微米级对准和键合（Bonding）技术的重要性。涵盖了热压键合（Thermocompression Bonding）、混合集成中的芯片到芯片（Chip-to-Chip）连接，以及如何通过优化封装材料的选择，确保器件在长期运行中的机械稳定性和光学性能。 --- 目标读者 本书适合于光电子学、集成光学、材料物理以及通信工程领域的研究学者和工程技术人员。对于希望从传统光纤技术过渡到微纳尺度光子集成平台的设计与应用开发人员，本书提供了不可或缺的深度技术支撑。 结语 本书通过对新型波导结构、精密无源器件设计以及先进集成封装技术的系统性阐述，旨在推动下一代高速、高密度光子信息处理系统的发展。它提供的不仅仅是理论框架，更是实现突破性光子功能元件的工程蓝图。
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