微纳光子集成
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作者何赛灵
出版社科学出版社
ISBN9787030270542
出版时间2024-06
装帧平装
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定价128元
货号1203292569
上书时间2024-09-07
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目录
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前言
第1章 光波导基本理论 1
1.1 平板波导 2
1.1.1 射线理论分析法 2
1.1.2 波动理论分析法 4
1.1.3 高斯近似模场 9
1.2 条形波导 10
1.2.1 Macatili方法 10
1.2.2 等效折射率方法 13
1.3 本章小结 14
参考文献 14
第2章 光束传输方法 16
2.1 全矢量波动方程 16
2.2 BPM 17
2.3 BPM应用实例 21
2.3.1 实例1:定向耦合器 21
2.3.2 实例2:马赫-曾德尔干涉仪 21
2.4 本章小结 22
参考文献 22
第3章 时域有限差分方法 24
3.1 引言 24
3.2 麦克斯韦方程的FDTD计算式及基本性质 25
3.2.1 Yee元胞及差分格式 25
3.2.2 数值稳定性条件 28
3.2.3 数值色散与噪声 28
3.3 完美匹配层吸收边界条件 29
3.4 激励源设置 32
3.4.1 脉冲源与稳态源 32
3.4.2 总场散射场分离 33
3.5 色散介质的有限差分方法 34
3.5.1 联系D和E的因果性和几种典型色散模型 34
3.5.2 色散介质的FDTD差分算法 36
3.6 计算实例与分析 38
参考文献 39
第4章 常见光波导材料与结构 40
4.1 典型光波导材料与结构 40
4.1.1 SiO2材料及波导 40
4.1.2 Ⅲ-V族半导体材料及波导 42
4.1.3 钼酸锂（LiNbO3)材料及波导 43
4.1.4 聚合物材料及波导 44
4.1.5 硅绝缘体材料及波导 45
4.1.6 新型纳米光波导 48
4.1.7 光波导材料及结构小结 50
4.2 光波导器件的制作工艺 51
4.2.1 波导层薄膜生长 53
4.2.2 光刻工艺 55
4.2.3 刻蚀技术 59
4.3 光波导器件的测试 63
4.3.1 测试流程 63
4.3.2 测试装置 65
4.3.3 波导传输损耗测试方法 65
4.3.4 光波导器件的封装与测试 68
4.4 本章小结 70
参考文献 70
第5章 光波导耦合器 73
5.1 光耦合器概述及分类 73
5.2 光耦合器的一般技术参数 75
5.3 Y分支概述 79
5.3.1 Y分支的基本原理 79
5.3.2 Y分支的设计举例 81
5.3.3 可调谐Y分支 83
5.3.4 Y分支的应用 83
5.4 MMI耦合器 84
5.4.1 MMI耦合器基本原理 84
5.4.2 MMI耦合器的应用 87
5.5 定向耦合器 89
5.6 本章小结 91
参考文献 92
第6章 波分复用器 94
6.1 波分复用技术 94
6.2 波分复用器件 95
6.3 AWG 98
6.3.1 AWG原理和几何设计 98
6.3.2 AWG的理论建模 112
6.4 EDG 121
6.5 波分复用器件优化设计 124
6.5.1 带通平坦设计 124
6.5.2 偏振不敏感设计 126
6.5.3 热不敏感设计 128
6.5.4 低串扰设计 129
6.5.5 其他优化设计 130
6.6 波分复用器件的应用 130
6.6.1 单纤三向器件 130
6.6.2 光码分多址复用的编解码器应用 131
6.7 本章小结 132
参考文献 133
第7章 微环谐振器及相关器件 135
7.1 概述 135
7.2 基本原理 135
7.2.1 基本结构 135
7.2.2 基本参量 137
7.2.3 基本功能 139
7.3 传输矩阵法 139
7.3.1 振幅耦合方程 139
7.3.2 单环滤波器 140
7.3.3 并联双环滤波器 145
7.3.4 串联双环滤波器 149
7.4 基于微环谐振器的集成光子器件 153
7.4.1 滤波器 153
7.4.2 波分复用器件 154
7.4.3 微环传感器 155
7.4.4 微环激光器 159
7.4.5 微环光调制器 160
7.4.6 微环光开关 161
7.5 本章小结 162
参考文献 162
第8章 基于表面等离子体结构的纳米光集成 164
8.1 引言 164
8.2 表面等离子体的基本性质 166
8.2.1 金属的色散模型 166
8.2.2 金属/介质单界面上的表面等离子体 169
8.2.3 多层结构中的表面等离子体 175
8.3 表面等离子体在亚波长光集成中的应用 184
8.3.1 金属纳米颗粒阵列波导 184
8.3.2 长程表面等离子体器件 186
8.3.3 MIM波导及器件 187
8.4 本章 讨论与展望 192
参考文献 194
第9章 光子晶体波导及器件 197
9.1 光子晶体简介 197
9.1.1 光子晶体的概念 197
9.1.2 光子晶体的应用 197
9.2 光子晶体波导 199
9.2.1 二维平板光子晶体 199
9.2.2 光子晶体平板波导 200
9.2.3 基于光子晶体波导的基本单元 202
9.3 基于光子晶体波导的新型集成器件 204
9.3.1 光子晶体功分器 204
9.3.2 光子晶体波分复用器 206
9.3.3 光子晶体光开关 207
9.3.4 光子晶体慢波波导 208
9.3.5 光子晶体高Q值微腔 211
9.4 光子晶体波导的制作 213
9.5 本章小结与讨论 215
参考文献 216
第10章 硅光子学 218
10.1 概述 218
10.2 半导体物理基础 219
10.2.1 晶体 219
10.2.2 能带及材料的分类 219
10.2.3 电子的跃迁和空穴 221
10.2.4 直接带隙和间接带隙半导体 222
10.2.5 硅材料的特性 222
10.3 硅基拉曼激光器 223
10.3.1 拉曼散射和受激拉曼散射 223
10.3.2 双光子吸收和自由载流子吸收 224
10.3.3 硅基拉曼激光器 225
10.4 硅基电光调制器 227
10.4.1 自由载流子等离子色散效应 227
10.4.2 基于马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基电光调制器 228
10.4.3 基于微环谐振器结构的硅基电光调制器 229
10.5 硅基光电探测器 231
10.5.1 硅基锗探测器 231
10.5.2 硅基离子注人探测器 232
10.5.3 波导和探测器的耦合 233
10.6 硅和Ⅲ-V族材料的混合集成 234
10.7 本章小结 235
参考文献 235
内容摘要
1969年，贝尔实验室的S.E.Miller首次提出了“集成光学”（integratedoptics）的概念，从此揭开了光子器件集成化研究的序幕。在过去几十年，光子集成相关理论以及制备技术都得到了长足的发展。本书首先介绍了光波导基础理论（第一章）、光波导器件数值模拟技术（第二章、第三章）等。人们也研发了基于各种材料的不同光波导结构，适用于不同场合的需求。本书在第四章则对各类光波导（包括近期新发展的硅纳米光波导等）基本特性以及相关制备工艺进行了介绍。光纤通信的兴起，为集成光子器件的发展提供了充分驱动力和无可比拟的契机。经过多年的发展，人们已经研制出一系列用于光通信的高性能集成光子器件。除了长距离光纤通信系统以外，光纤到户(FTTH)接入网掀起了光纤通信发展的新一轮机遇。因此，在第五章，本书重点介绍了针对光纤到户系统需求的新型集成光子器件，使读者对此新方向也有一定了解。在第六章、第七章则分别介绍了光通信系统中拥有代表性的集成光子器件，包括波分复用器、微环滤波器等。利用微环谐振效应，还可以实现具有高灵敏度的集成光传感器件。尤其是硅纳米光波导出现以后，微环传感器受到广泛关注。本书第七章对其近期新进展作了相关介绍。正如集成电子电路的发展历程一样，光集成也正朝着更高集成度的方向发展。所谓更高集成度，包含两层含义：1.单个光器件具有更小的尺寸；2.单个芯片上集成有更多的功能器件。为了实现更高集成度的目标，必须设计出超小尺寸的光波导结构。基于表面等离子体波的金属光波导课题突破衍射极限，为未来实现纳米光子集成提供了一种途径。为此，本书第八章对近期新发展的表面等离子金属光波导的原理、结构以及发展前景进行了详细的介绍。光子晶体波导则是另一种新型光波导，在近几年也得到广泛的关注和迅速发展。本书第九章对此进行了总结和介绍。此外，硅光子学（siliconphotonics）是当前集成光学的热点研究领域之一。它将硅材料和光子学结合在一起，研究硅材料或硅基材料上实现各种光子功能器件的制作和集成，形成一个独特的学科研究方向。本书在第十章着重介绍了硅光子学的近期新进展。
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