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书名：计算光子学——MATLAB导论
定价：198.0
ISBN：9787030444066
作者：（加）Marek S. Wartak著；吴宗森，吴小山译
版次：3106
出版时间：2016-02
内容提要：
本书是光电子学和光电器件理论系统化和计算图像化的*新专著本书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，*后，本书论述了光孤子、人阳能光电池和*近几年才出现的超材料。本书不仅有系统的光了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，全书收录了60多个存Matlab中使用的编程，可供读者学习使用。
目录：
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
在线试读：
第1章 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（The International Year of Light and Light-based Technologies，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（Ibn Ai-Haythan）的光学著作、1815年菲涅耳（Frcsncl）提出的光波概念、1865年麦克斯韦（Maxwcll）提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦（Einstcin）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f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=777）C2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足光速。
光子学与电磁场学紧密相关，从某种意义上说，光子是电磁场中的基本粒子。光子与电子是相互平行并列的，电子涉及电子器件，而光子则与光电器件，或者光电系统密切关联，事实上，这两个领域（电子和光子）有很多共同点，不仅如此，光子学和电子学相互渗透，已浑然成一体。例如，激光器是用电驱动，使激光物质内部的粒子数反转通过能级跃迁发射出光束，又例如，电信号用来调制光束以便传送数据、语音和视频。
光子学的应用离不开*子，与此类似，电子学的应用靠的是电子，然而，用光传送数据比用电传送信息要更胜一筹，此外，光子本身之间没有相互作用f这是其优点，有时又是缺点），所以光束之间可以相互穿越，而彼此无互动不受干扰。
即使大约十多年前发生的电信“泡沫”时期，光子学下属的光纤通信仍然是一个非常重要和活跃的领域，例如，一根光纤具有同时进行大约三百万对电话通话的能力。2014年10月，来自美国和荷兰的科学家利用光学信号在新型的光纤中创下了255TBls的骄人成绩。通俗点说，他们能在Is内传输255T字节（tcrabytcs）的数据，或者用0.004s的时间即可把1TB硬盘里的全部内容传输到另一地方，这一速度要比目前商用光纤的带宽高出21倍，还远高于同年由丹麦DTU大学创造的43Tbitls的速率。这是以前电缆时代根本无法想象的超快速传输。2011年诺贝尔物理学奖颁发给了光纤技术的鼻祖高锟，3年后，2014年的诺贝尔物理学奖又授予发明蓝光发光二极管（蓝光LED）的日本科学家，由此可见光学在人类生活和科技中的显要地位，自2000年的危机后，光子的许多新应用逐渐涌现并受到注意，生物光子学和医学光子学是其中的佼佼者，开宗明义，本书讨论的是光子学的计算方法和程序，我们将广为科技界使用的Matlab运用到光子学的各个领域，尝试从更广的角度来讨论什么是计算光子学以及学习计算光子学的意义，我们将简要地总结光子学下属的几个分领域，特别侧重于光纤通信，以了解光子学未来的潜能，计算光子学对我们所设计的光学器件和光学系统有着极其重要的作用，它不仅减少了投资新建测试设备的成本，而且极大地加快了研发的速度和进程，我们还将用更宽阔的视野看待什么是光子学，什么是光子学当前的活跃领域，以及在哪里可以得到有关光子学*新的信息。
在我们尝试定义计算光子学之前，让我们汇集一下在成书前（2011年冬季）有关光子学会议的一些信息。
对光子学及其较传统的应用以及未来光子学新方向的研讨组织得相当完善的会谈有：
美西光电：每年1月在加里福尼亚洲举行，这里是2011的资讯[1]
美东光电：每年秋季在美国东部举行：
光纤会议每年3月举行[2]。
一种新的研讨会，全球光电会议（PGC），自2008年以来每两年举行一次[3]
会议的目的在于促进众多学科之间的相互交流，它特别关注光电子学的新兴方向，我们把2011年的专题讨论会和特别会议小结如下：
专题讨论会：①光流体学（Optofluidics）和生物光子学（Biphotonics）。②基于光纤的设备和应用程序。③绿色光子学（Green Photonics）。④高功率激光器及其工业应用。⑤超材料（Metamaterials）和等离子体学（Plasmonics）。⑥纳米光子学（Nanophotonics）。⑦光通信与网络。
特别会议：①量子通信（Quantum Communication）。②光子晶体光纤（Pho-tonic Crystal Fibers）及其应用。③光子碳纳米管（Photonic Carbon Nanotube）和石墨烯（Graphene）的应用，④太赫兹技术（Teraherts lbchnology）。⑤弥散性光学成像（Diffuse Optical Imaging）。
遁过浏览所讨论的课题，人们多少可以知道什么是当前光子学活跃领域以及它未来的走向。
1.2 什么是计算光子学
计算光子学是物理学的一个新兴分支，它使用数值方法研究光（在这里，光是广义上的电磁波）在波导结构中的属性和传播，在这个领域中，其核心部分是通过分析和计算机建模的手段研究光以及光与物质的相互作用。这种新兴的计算科学领域对设计新一代的集成光学模块，长距离传输和通信系统正发挥着举足轻重的作用，通常，计算光子学可以理解为实验的“替代”法，即在计算机上进行的相关“实验”。显然，这种方法大大地降低了开发成本，极大地加快了开发新产品的速度，我们将试图涵括其中的一些进展。但是，该领域是如此地广泛以至于我们无法涉及它的所有方面，当然，本书讨论的课题与作者的专业知识有关。作为光子学的一个单独的课题，人们往往选择集成光电子学，它汇聚了所有对波导、波导模式和光子结构的仿真[4]。这里，核心部分是本书后面即将讨论的光束传播法。
1.2.1 计算光子学和计算电磁学的方法
根据Joannopoulos[5],广义地说计算光子学有三大类问题：频域特征值求解，频域方程组求解和时域仿真，这些问题均受到广泛的讨论，并已收录在文献[5]～[7]中。
Gallagher[8]介绍了用于计算机辅助设计（CAD）建模光子学的主要算法，与此同时，他还讨论了这些算法各自的优缺点。主要的算法有以下三种：
（1）波束传播方法（Beam Propagation Mcthod，BPM），
（2）本征模展开方法（Eigenmode Expansion Method，EME），
（3）时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）。
我们对上面的三种方法就它们各自的计算速度和内存的使用，以及它们在计算器件中的数值孔径、折射系数、偏振、损耗、反射和非线性进行了比较。作者的结论是，没有任何一种算法对所有的应用程序是完美无缺的。
我们要指出的是计算电磁学已取得远比计算光子学好得多的十分令人振奋的成绩，深入的讨论参阅Jin的讨论[6]事实上，从电磁波对各种物体散射的分析，天线的分析与设计，微波器件的建模和仿真，直到电磁干扰和电磁兼容性的数值分析，计算电磁学都有极其宽泛的应用。
1.2.2 计算纳米光子学
计算纳米光子学这个子域的出现只是近几年以来发生的事情。光子器件尺寸缩小的趋势今后必将使得与光波波长数量级相当的纳米结构发挥越来越重要的作用。在光波波长的尺度内，多次散射和近场效应对光的传播以及光与物质的相互作用将产生深远的影响，因而也将促进新机制的基础研究，以及扩展它在各学科中新的应用。
例如，光子晶体的修正色散关系以及光子晶体光纤将催生新的非线性波传播的效应，如巨孤子的转变和超连续谱的产生。它们将在通信、计量学和医疗诊断方面获得新的应用，由于波干扰和互动过程的复杂性，实验研究在很大程度上依赖于如何设计这种系统以及如何在理论上对测量结果进行解释和指导，在几乎所有情况下，这种系统的定量理论的描述必须借助于先进的数值计算技术，以便求解计算量非常大的线性、非线性或耦合的偏微分方程。
高校在光子晶体结构方面的研究工作正在蓬勃展开，我们相信它必将应用到光通信的全新组件中去，因为目前实验室已经能够实现纳米尺度的晶体结构，纳米技术提供了低成本而更高效的集成光学电路的途径，从无源器件，如滤波器和均衡器，到有源功能器件，如光交换器、互连器件甚至新颖的激光器，处处都可以看到它们的身影，此外，该技术体积更小、带宽更大和损耗更低，因而使新功能的出现和光通信整体成本的降低变得可能。
*终的目标是创建三维光子结构，以便促使计算技术逐步地光学化，甚至迎来全光学计算化的一天，*近对光子学建模，包括对重要的计算方法的回顾可以阅读Obayya的书[9]。
1.2.3 光电商用软件一览
在光子学中出现的突出进展，在很大的范围内，与可资利用的可靠的软件和技术支撑密不可分，一些主要的商业供应商如下：
（1）在撰写本书时，OPTIWAVE（）已为我们提供了全面的工程设计工具，它为光子学、生物光子学和系统设计工程师创造了综合性的设计环境。目前OPTIWAVE产品包括两大类：①OptiSystem-适合做放大器和光通信系统的设计软件，②OptiSPICE-首*光电电路的设计软件，对于器件设计，它们有以下产品：①OptiBPM，基于光束传播法（BPM），用来设计导波、交换、分叉、复用和去复用光信号中的复杂光子传导器件。②OptiFDTD，基于具有二阶数值精度的时域有限差分（FDTD）算法并采用*佳边界条件，即单轴理想匹配层的方法进行设计，它在电场和磁场中的解适合时域和空域所使用的全矢量微分形式的麦克斯韦方程组，③OptiFibcr，使用的数值模式和其他模式，专门用于计算光纤的色散、损失、双折射和偏振模色散（PMD）。④OptiGrating，采用耦合模理论对光建模，并且分析和合成光栅。
（2）RSoft（www，rsoftdcsign。com）产品系列，它包括：通过业界领先的计算机辅助设计系统分析复杂的光子器件和组件，通过全面的仿真技术和组件模型确定光通信和数据通信网络的性能，以及针对成本有效部署的DWDM和SONET技术与设计和优化光网络的网络建模。
（3）光电设计（）提供的产品有：无源和有源元件的设计，一款是FIMMWAVE，另一款是CrystalWave.FIMMWAVE是用于波导结构的一个通用的全矢量模式奠基者，它把基于半解析法与其他更多的数值方法，如有限差分或有限元结合了起来。
FIMMWAVE配备了一系列用户友好的可视化工具，适用于波导设计。对各种不同的几何形状实行*优化设计。例如，在外延生长的集成光学器件经常遇到矩形波导，光纤波导中遇到的圆形波导，以及在扩散波导或其他特别的几何结构的波导。
CrystalWavc为我们提供了在集成光学元件的布局和设计中使光子晶体结构设计*优化的一个设计环境。它是时域有限差分和频域有限元（FEFD）的仿真器，并拥有一个用于平面光子晶体结构进行优化的模板文件生成器。
（4）CST微波工作室（）是一个三维电磁高频器件的仿真专业工具，它对诸如天线、滤波器、耦合器、平面和多层结构的高频器件进行的分析快速又准确。
几个网站专门致力于在光子学软件和光子学中的数僮模拟，我们特别提出以下几个，Optical Waveguides: Numerical Modeling[101, Photonics resources page[11]以及Photonics软件[12]。
1.3 光纤通信
本节将系统地介绍光子学在以光纤为基础的光通信中的重要性。
1.3.1 光纤通信的简介
光用作通信的手段大概开始于人类文明的起源之时，但是，它在电信上的现代应用还是20世纪的事，它可以归结为两个基本事实：
（1）性能稳定又优良的光纤；
（2）体积小巧又可靠的光源。
在本节的后面，我们将讨论一些有光光纤主要进展的细节。我们从通信，特别是光通信的简短历史开始讨论，*近Hccht出版了一本颇为流行的介绍通信近代史的书，侧重点放在光通信上[13]。作为一个绪论性的入门书，我们建议读者阅读由Bateman [141所撰写的数字通信基础的书。
1.3.2 通信简史
马可尼、特斯拉和其他人发现了电磁波，并创建了工作在0.5～2MHz频率范围以及带宽为15kHz的无线电，随着电视的出现，带宽要求达到6MHz，载波频率提高到大约100MHz。第二次世界大战期间，雷达的发明把频率提升到微波波段（约千兆赫）。现在，手机以及无线网络的使用频率也在此波段的2.4~5GHz范围。
向着更高频率迈出的一大步与20世纪60年代发明的激光器有关。第*个激光器工作在694nm的波长，这对应于约5×l014Hz（5×l05GHz=500THz）的频率，假设只将该频率的1%，即5THz用作传递信号的带宽，那么，它可容纳106道模拟视频通道，每通道有6MHz的带宽，或者说，这个5THz的单个频道可容纳109道各为5kHz的电话通话。
连接两个点，即点至点的链接（图1.1作为一个例子）的一个典型的通信频道，由光发射机（通常是一个半导体激光二极管）、传输信号的光纤和一个接收器所组成。半导体激光二极管，可直接调制或用外部调制器来调制在光纤中的光束，信息被注入光脉冲中，光纤的一端输入光信号，传播一段距离后，在光纤的另一端，光信号被还原成人类可以理解的信号。当然，所有这些部件都应该有效地工作在相应的载波频率（或波长）上，可惜的是，在20世纪60年代只有一个部件（发送器，即激光器）就绪到位，其他两个要素是不存在的，幸运的是，接下来我们有了关键的一步：1966年由高锟和Hockham[15]展示了世界上第*根二氧化硅系光纤，它具有相当低的传播损耗，足已担当传送信息的载体。很快，基于二氧化硅的光纤脱颖而出，首次出现在长途和短途的通信传输网络中。全光网络具有比电和光混合型的网络更大的优势，并且具有更高的数据传输速率。更为可贵的是，由于光束之间的不干扰性，在一个光纤链路中可以同时发送多个信号，也就是多路复用的功能，使得光纤的利用率进一步提升，下面总结早期远程通信系统历史中的一些重要事件（引自Hecht[13]和Einarsson[16]）：
图1.1 光纤系统的示意图
（1）TAT-1:1956年，TAT-1系统的第*条横跨大西洋的双同轴电缆服役，真空管的中继站距离为70km。传输能力是36对电话。
（2）TAT-6:1976年，双向4200对电话信道的TAT-6系统服役，基于晶体管的中继站之间的距离为9.4km。
（3）TAT-7:1983年，与TAT-6类似的TAT-7系统服役。
（4）TAT-8:1988年，作为第*个洲际光纤系统，TAT-8开始美国和欧洲之间的
定价：198.0
ISBN：9787030444066
作者：（加）Marek S. Wartak著；吴宗森，吴小山译
版次：3106
出版时间：2016-02
内容提要：
本书是光电子学和光电器件理论系统化和计算图像化的*新专著本书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，*后，本书论述了光孤子、人阳能光电池和*近几年才出现的超材料。本书不仅有系统的光了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，全书收录了60多个存Matlab中使用的编程，可供读者学习使用。
目录：
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
在线试读：
第1章 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（The International Year of Light and Light-based Technologies，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（Ibn Ai-Haythan）的光学著作、1815年菲涅耳（Frcsncl）提出的光波概念、1865年麦克斯韦（Maxwcll）提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦（Einstcin）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f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=777）C2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足光速。
光子学与电磁场学紧密相关，从某种意义上说，光子是电磁场中的基本粒子。光子与电子是相互平行并列的，电子涉及电子器件，而光子则与光电器件，或者光电系统密切关联，事实上，这两个领域（电子和光子）有很多共同点，不仅如此，光子学和电子学相互渗透，已浑然成一体。例如，激光器是用电驱动，使激光物质内部的粒子数反转通过能级跃迁发射出光束，又例如，电信号用来调制光束以便传送数据、语音和视频。
光子学的应用离不开*子，与此类似，电子学的应用靠的是电子，然而，用光传送数据比用电传送信息要更胜一筹，此外，光子本身之间没有相互作用f这是其优点，有时又是缺点），所以光束之间可以相互穿越，而彼此无互动不受干扰。
即使大约十多年前发生的电信“泡沫”时期，光子学下属的光纤通信仍然是一个非常重要和活跃的领域，例如，一根光纤具有同时进行大约三百万对电话通话的能力。2014年10月，来自美国和荷兰的科学家利用光学信号在新型的光纤中创下了255TBls的骄人成绩。通俗点说，他们能在Is内传输255T字节（tcrabytcs）的数据，或者用0.004s的时间即可把1TB硬盘里的全部内容传输到另一地方，这一速度要比目前商用光纤的带宽高出21倍，还远高于同年由丹麦DTU大学创造的43Tbitls的速率。这是以前电缆时代根本无法想象的超快速传输。2011年诺贝尔物理学奖颁发给了光纤技术的鼻祖高锟，3年后，2014年的诺贝尔物理学奖又授予发明蓝光发光二极管（蓝光LED）的日本科学家，由此可见光学在人类生活和科技中的显要地位，自2000年的危机后，光子的许多新应用逐渐涌现并受到注意，生物光子学和医学光子学是其中的佼佼者，开宗明义，本书讨论的是光子学的计算方法和程序，我们将广为科技界使用的Matlab运用到光子学的各个领域，尝试从更广的角度来讨论什么是计算光子学以及学习计算光子学的意义，我们将简要地总结光子学下属的几个分领域，特别侧重于光纤通信，以了解光子学未来的潜能，计算光子学对我们所设计的光学器件和光学系统有着极其重要的作用，它不仅减少了投资新建测试设备的成本，而且极大地加快了研发的速度和进程，我们还将用更宽阔的视野看待什么是光子学，什么是光子学当前的活跃领域，以及在哪里可以得到有关光子学*新的信息。
在我们尝试定义计算光子学之前，让我们汇集一下在成书前（2011年冬季）有关光子学会议的一些信息。
对光子学及其较传统的应用以及未来光子学新方向的研讨组织得相当完善的会谈有：
美西光电：每年1月在加里福尼亚洲举行，这里是2011的资讯[1]
美东光电：每年秋季在美国东部举行：
光纤会议每年3月举行[2]。
一种新的研讨会，全球光电会议（PGC），自2008年以来每两年举行一次[3]
会议的目的在于促进众多学科之间的相互交流，它特别关注光电子学的新兴方向，我们把2011年的专题讨论会和特别会议小结如下：
专题讨论会：①光流体学（Optofluidics）和生物光子学（Biphotonics）。②基于光纤的设备和应用程序。③绿色光子学（Green Photonics）。④高功率激光器及其工业应用。⑤超材料（Metamaterials）和等离子体学（Plasmonics）。⑥纳米光子学（Nanophotonics）。⑦光通信与网络。
特别会议：①量子通信（Quantum Communication）。②光子晶体光纤（Pho-tonic Crystal Fibers）及其应用。③光子碳纳米管（Photonic Carbon Nanotube）和石墨烯（Graphene）的应用，④太赫兹技术（Teraherts lbchnology）。⑤弥散性光学成像（Diffuse Optical Imaging）。
遁过浏览所讨论的课题，人们多少可以知道什么是当前光子学活跃领域以及它未来的走向。
1.2 什么是计算光子学
计算光子学是物理学的一个新兴分支，它使用数值方法研究光（在这里，光是广义上的电磁波）在波导结构中的属性和传播，在这个领域中，其核心部分是通过分析和计算机建模的手段研究光以及光与物质的相互作用。这种新兴的计算科学领域对设计新一代的集成光学模块，长距离传输和通信系统正发挥着举足轻重的作用，通常，计算光子学可以理解为实验的“替代”法，即在计算机上进行的相关“实验”。显然，这种方法大大地降低了开发成本，极大地加快了开发新产品的速度，我们将试图涵括其中的一些进展。但是，该领域是如此地广泛以至于我们无法涉及它的所有方面，当然，本书讨论的课题与作者的专业知识有关。作为光子学的一个单独的课题，人们往往选择集成光电子学，它汇聚了所有对波导、波导模式和光子结构的仿真[4]。这里，核心部分是本书后面即将讨论的光束传播法。
1.2.1 计算光子学和计算电磁学的方法
根据Joannopoulos[5],广义地说计算光子学有三大类问题：频域特征值求解，频域方程组求解和时域仿真，这些问题均受到广泛的讨论，并已收录在文献[5]～[7]中。
Gallagher[8]介绍了用于计算机辅助设计（CAD）建模光子学的主要算法，与此同时，他还讨论了这些算法各自的优缺点。主要的算法有以下三种：
（1）波束传播方法（Beam Propagation Mcthod，BPM），
（2）本征模展开方法（Eigenmode Expansion Method，EME），
（3）时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）。
我们对上面的三种方法就它们各自的计算速度和内存的使用，以及它们在计算器件中的数值孔径、折射系数、偏振、损耗、反射和非线性进行了比较。作者的结论是，没有任何一种算法对所有的应用程序是完美无缺的。
我们要指出的是计算电磁学已取得远比计算光子学好得多的十分令人振奋的成绩，深入的讨论参阅Jin的讨论[6]事实上，从电磁波对各种物体散射的分析，天线的分析与设计，微波器件的建模和仿真，直到电磁干扰和电磁兼容性的数值分析，计算电磁学都有极其宽泛的应用。
1.2.2 计算纳米光子学
计算纳米光子学这个子域的出现只是近几年以来发生的事情。光子器件尺寸缩小的趋势今后必将使得与光波波长数量级相当的纳米结构发挥越来越重要的作用。在光波波长的尺度内，多次散射和近场效应对光的传播以及光与物质的相互作用将产生深远的影响，因而也将促进新机制的基础研究，以及扩展它在各学科中新的应用。
例如，光子晶体的修正色散关系以及光子晶体光纤将催生新的非线性波传播的效应，如巨孤子的转变和超连续谱的产生。它们将在通信、计量学和医疗诊断方面获得新的应用，由于波干扰和互动过程的复杂性，实验研究在很大程度上依赖于如何设计这种系统以及如何在理论上对测量结果进行解释和指导，在几乎所有情况下，这种系统的定量理论的描述必须借助于先进的数值计算技术，以便求解计算量非常大的线性、非线性或耦合的偏微分方程。
高校在光子晶体结构方面的研究工作正在蓬勃展开，我们相信它必将应用到光通信的全新组件中去，因为目前实验室已经能够实现纳米尺度的晶体结构，纳米技术提供了低成本而更高效的集成光学电路的途径，从无源器件，如滤波器和均衡器，到有源功能器件，如光交换器、互连器件甚至新颖的激光器，处处都可以看到它们的身影，此外，该技术体积更小、带宽更大和损耗更低，因而使新功能的出现和光通信整体成本的降低变得可能。
*终的目标是创建三维光子结构，以便促使计算技术逐步地光学化，甚至迎来全光学计算化的一天，*近对光子学建模，包括对重要的计算方法的回顾可以阅读Obayya的书[9]。
1.2.3 光电商用软件一览
在光子学中出现的突出进展，在很大的范围内，与可资利用的可靠的软件和技术支撑密不可分，一些主要的商业供应商如下：
（1）在撰写本书时，OPTIWAVE（）已为我们提供了全面的工程设计工具，它为光子学、生物光子学和系统设计工程师创造了综合性的设计环境。目前OPTIWAVE产品包括两大类：①OptiSystem-适合做放大器和光通信系统的设计软件，②OptiSPICE-首*光电电路的设计软件，对于器件设计，它们有以下产品：①OptiBPM，基于光束传播法（BPM），用来设计导波、交换、分叉、复用和去复用光信号中的复杂光子传导器件。②OptiFDTD，基于具有二阶数值精度的时域有限差分（FDTD）算法并采用*佳边界条件，即单轴理想匹配层的方法进行设计，它在电场和磁场中的解适合时域和空域所使用的全矢量微分形式的麦克斯韦方程组，③OptiFibcr，使用的数值模式和其他模式，专门用于计算光纤的色散、损失、双折射和偏振模色散（PMD）。④OptiGrating，采用耦合模理论对光建模，并且分析和合成光栅。
（2）RSoft（www，rsoftdcsign。com）产品系列，它包括：通过业界领先的计算机辅助设计系统分析复杂的光子器件和组件，通过全面的仿真技术和组件模型确定光通信和数据通信网络的性能，以及针对成本有效部署的DWDM和SONET技术与设计和优化光网络的网络建模。
（3）光电设计（）提供的产品有：无源和有源元件的设计，一款是FIMMWAVE，另一款是CrystalWave.FIMMWAVE是用于波导结构的一个通用的全矢量模式奠基者，它把基于半解析法与其他更多的数值方法，如有限差分或有限元结合了起来。
FIMMWAVE配备了一系列用户友好的可视化工具，适用于波导设计。对各种不同的几何形状实行*优化设计。例如，在外延生长的集成光学器件经常遇到矩形波导，光纤波导中遇到的圆形波导，以及在扩散波导或其他特别的几何结构的波导。
CrystalWavc为我们提供了在集成光学元件的布局和设计中使光子晶体结构设计*优化的一个设计环境。它是时域有限差分和频域有限元（FEFD）的仿真器，并拥有一个用于平面光子晶体结构进行优化的模板文件生成器。
（4）CST微波工作室（）是一个三维电磁高频器件的仿真专业工具，它对诸如天线、滤波器、耦合器、平面和多层结构的高频器件进行的分析快速又准确。
几个网站专门致力于在光子学软件和光子学中的数僮模拟，我们特别提出以下几个，Optical Waveguides: Numerical Modeling[101, Photonics resources page[11]以及Photonics软件[12]。
1.3 光纤通信
本节将系统地介绍光子学在以光纤为基础的光通信中的重要性。
1.3.1 光纤通信的简介
光用作通信的手段大概开始于人类文明的起源之时，但是，它在电信上的现代应用还是20世纪的事，它可以归结为两个基本事实：
（1）性能稳定又优良的光纤；
（2）体积小巧又可靠的光源。
在本节的后面，我们将讨论一些有光光纤主要进展的细节。我们从通信，特别是光通信的简短历史开始讨论，*近Hccht出版了一本颇为流行的介绍通信近代史的书，侧重点放在光通信上[13]。作为一个绪论性的入门书，我们建议读者阅读由Bateman [141所撰写的数字通信基础的书。
1.3.2 通信简史
马可尼、特斯拉和其他人发现了电磁波，并创建了工作在0.5～2MHz频率范围以及带宽为15kHz的无线电，随着电视的出现，带宽要求达到6MHz，载波频率提高到大约100MHz。第二次世界大战期间，雷达的发明把频率提升到微波波段（约千兆赫）。现在，手机以及无线网络的使用频率也在此波段的2.4~5GHz范围。
向着更高频率迈出的一大步与20世纪60年代发明的激光器有关。第*个激光器工作在694nm的波长，这对应于约5×l014Hz（5×l05GHz=500THz）的频率，假设只将该频率的1%，即5THz用作传递信号的带宽，那么，它可容纳106道模拟视频通道，每通道有6MHz的带宽，或者说，这个5THz的单个频道可容纳109道各为5kHz的电话通话。
连接两个点，即点至点的链接（图1.1作为一个例子）的一个典型的通信频道，由光发射机（通常是一个半导体激光二极管）、传输信号的光纤和一个接收器所组成。半导体激光二极管，可直接调制或用外部调制器来调制在光纤中的光束，信息被注入光脉冲中，光纤的一端输入光信号，传播一段距离后，在光纤的另一端，光信号被还原成人类可以理解的信号。当然，所有这些部件都应该有效地工作在相应的载波频率（或波长）上，可惜的是，在20世纪60年代只有一个部件（发送器，即激光器）就绪到位，其他两个要素是不存在的，幸运的是，接下来我们有了关键的一步：1966年由高锟和Hockham[15]展示了世界上第*根二氧化硅系光纤，它具有相当低的传播损耗，足已担当传送信息的载体。很快，基于二氧化硅的光纤脱颖而出，首次出现在长途和短途的通信传输网络中。全光网络具有比电和光混合型的网络更大的优势，并且具有更高的数据传输速率。更为可贵的是，由于光束之间的不干扰性，在一个光纤链路中可以同时发送多个信号，也就是多路复用的功能，使得光纤的利用率进一步提升，下面总结早期远程通信系统历史中的一些重要事件（引自Hecht[13]和Einarsson[16]）：
图1.1 光纤系统的示意图
（1）TAT-1:1956年，TAT-1系统的第*条横跨大西洋的双同轴电缆服役，真空管的中继站距离为70km。传输能力是36对电话。
（2）TAT-6:1976年，双向4200对电话信道的TAT-6系统服役，基于晶体管的中继站之间的距离为9.4km。
（3）TAT-7:1983年，与TAT-6类似的TAT-7系统服役。
（4）TAT-8:1988年，作为第*个洲际光纤系统，TAT-8开始美国和欧洲之间的