图书简介:
第1章 导论
1.1 集成光学的优点
1.2 集成光路的衬底材料
习题
参考文献
第2章 光波导模式
2.1 平面波导结构中的模式
2.2 光模理论的射线光学方法
习题
参考文献
第3章 光波导理论
3.1 平面波导
3.2 矩形波导
习题
参考文献
第4章 波导制作技术
4.1 薄膜沉积
4.2 掺杂原子置换
4.3 载流子浓度减小型波导
4.4 外延生长
4.5 电光波导
4.6 氧化
4.7 制作通道波导的方法
习题
参考文献
第5章 聚合物和光纤集成光学
5.1 聚合物的类型
5.2 聚合物工艺
5.3 聚合物波导互连的应用
5.4 聚合物波导器件
5.5 光纤波导器件
习题
参考文献
第6章 光波导的损耗
6.1 散射损耗
6.2 吸收损耗
6.3 辐射损耗
6.4 波导损耗的测量
习题
参考文献
第7章 波导输入和输出耦合器
7.1 光耦合原理
7.2 横向耦合器
7.3 棱镜耦合器
7.4 光栅耦合器
7.5 楔形耦合器
7.6 楔形模斑转换器
7.7 光纤波导耦合器
习题
参考文献
第8章 波导间耦合
8.1 多层平面波导耦合器
8.2 双通道定向耦合器
8.3 端接耦合脊形波导
8.4 分支波导耦合器
8.5 光纤耦合器和分束器
习题
参考文献
第9章 电光调制器
9.1 调制器和开关的基本工作特性
9.2 电光效应
9.3 单波导电光调制器
9.4 双通道波导电光调制器
9.5 MachZehnder型电光调制器
9.6 使用反射或衍射的电光调制器
9.7 波导调制器与体电光调制器的比较
9.8 行波电极结构
习题
参考文献
第10章 声光调制器
10.1 声光效应的基本原理
10.2 拉曼奈斯型调制器
10.3 布拉格型调制器
10.4 布拉格型光束偏转器和光开关
10.5 声光调制器和偏转器的性能特征
10.6 声光移频器
习题
参考文献
第11章 半导体光发射的基本原理
11.1 晶体中光产生和吸收的微观模型
11.2 半导体中的光发射
11.3 激光
习题
参考文献
第12章 半导体激光器
12.1 激光二极管
12.2 隧道注入式激光器
12.3 聚合物激光器
12.4 用于发射新波长的新型半导体材料
习题
参考文献
有关半导体激光器基本原理的补充阅读资料
第13章 光放大器
13.1 光纤放大器
13.2 非光纤离子掺杂光放大器
13.3 半导体光放大器
13.4 离子掺杂光纤放大器与半导体光放大器的比较
13.5 增益均衡
13.6 光纤激光器
习题
参考文献
有关光放大器的补充阅读资料
第14章 异质结结构限制场激光器
14.1 异质结激光器的基本结构
14.2 异质结激光器的性能特征
14.3 发射波长的控制
14.4 先进结构异质结激光器
14.5 可靠性
14.6 垂直腔激光器
习题
参考文献
有关异质结激光器的补充阅读资料
第15章 分布式反馈激光器
15.1 理论考虑
15.2 制作技术
15.3 性能特征
15.4 纳米DFB激光器
习题
参考文献
第16章 半导体激光器的直接调制
16.1 直接调制的基本原理
16.2 激光二极管的微波频段调制
16.3 单片集成的直接调制器
16.4 放大激光调制
16.5 量子点激光器的直接调制
16.6 激光二极管微波调制的未来前景
习题
参考文献
有关激光二极管调制的补充阅读资料
第17章 集成光探测器
17.1 耗尽层光电二极管
17.2 特殊光电二极管结构
17.3 改进光谱响应的方法
17.4 限制集成光探测器性能的因素
习题
参考文献
第18章 量子阱器件
18.1 量子阱和超晶格
18.2 量子阱激光器
18.3 量子阱调制器和开关
18.4 量子阱探测器
18.5 自电光效应器件
18.6 光电集成回路中的量子阱器件
习题
参考文献
有关量子阱的补充阅读资料
第19章 微光机电器件
19.1 基本力学方程
19.2 薄膜器件
19.3 悬臂梁器件
19.4 扭力器件
19.5 光学元件
19.6 MOEM的未来发展方向
19.7 硅的力学特性
习题
参考文献
第20章 集成光学的应用与发展趋势
20.1 光集成回路的应用
20.2 光电集成回路
20.3 通信器件与系统
习题
参考文献
第21章 光子与微波无线系统
21.1 光子技术与微波技术的融合
21.2 射频与微波信号的光纤传输
21.3 利用光学技术产生微波载波
21.4 未来规划
习题
参考文献
第22章 纳米光子学
22.1 尺度
22.2 电子和光子的性质
22.3 光子和电子的限制
22.4 光子晶体
22.5 纳米结构的制作
22.6 纳米结构的定性和评价
22.7 纳米光子器件
22.8 集成光学和纳米光子学的未来规划
习题
参考文献
中英文名词对照表
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美国特拉华大学电子与计算机工程教授,1967年获康奈尔大学博士学位。1967年至1976年受聘于加州马利布休斯研究室;美国IEEE高级会士, OSA、APS和 SPIE会员;已发表论文150余篇,持有专利18项,出版专著2部。
本书讨论光电子器件及其在集成光学和光纤系统中的应用,重点介绍光电子器件如何工作的物理机理及其在各种领域中的应用;为解释一些科学现象和工程原理,给出了必要的数学公式推导和设计方程演变,但尽力避免因烦琐的数学推导反而模糊了一些重要概念;引用了一些学术期刊的插图和文献,以展示相关理论与当代产业重要课题的关联。第六版对所有篇章进行了更新和修订,而且新增一章来讨论纳米光子学。每一章的末尾附有习题,以扩展学生的学术视野。科学家、工程师、学生和工程管理者都可以利用这本书,以了解集成光学的理论架构和前沿技术。
译者简介
叶玉堂 电子科技大学教授、博士生导师;1970年本科毕业于北京大学物理系;1981年获电子科技大学工学硕士学位,1986年作为访问学者由国家教委选派到美国Delaware大学留学。已在Appl. Phys. Lett.、Rev. Sci. Instrum.、《物理学报》、《光学学报》等国内外重要学术期刊和学术会议发表学术论文270余篇,其中SCI收录30余篇,EI收录140余篇,最多单篇下载已超过两千次,最多单篇引用上百次;已完成或在研课题共计50余项,获授权专利近50项,其中绝大多数为发明专利;获四川省科技进步奖、电子部科技进步奖和成都市科技进步奖共8项;出版专著、教材、译著共4本,其中《幾何光學/Principle of Optics》经中国台湾“国立交通大学”陈浩中教授译成繁体字后在国际范围发行;培养博士、博士后近20名,硕士100多名。
李剑峰 博士,教授、博士生导师。2003年于四川大学物理科学与技术学院获光学专业博士学位,同年进入电子科技大学光电信息学院任教。2011年5月至2012年5月在澳大利亚悉尼大学从事访问研究。2013年3月至2015年3月在英国阿斯顿大学任研究员。2011年、2013年和2014年分别入选“欧盟FP7玛丽居里学者”,“教育部新世纪优秀人才计划”和“四川省千人计划”。现主要从事非线性光纤光学、光纤激光及光纤传感、集成光学的教学和科研工作。自2008年以来,一直主讲“光纤光学”的硕士、博士研究生课程和“物理光学”的本科生课程。作为项目负责人和研究骨干主持了自然科学基金、国家863计划、总装备部预研、中国博士后特别资助项目等科研课题20余项。为IEEE高级会员,中国光学工程学会委员、中国宇航学会光电专委会委员。近5年来以第一或通信作者发表SCI收录期刊40余篇,申请国家发明专利12项,并为21个国内外重要刊物的审稿人。
贾东方 博士,副教授,博士生导师。2002年于天津大学精密仪器与光电子工程学院获物理电子学专业工学博士学位,同年进入天津大学仪器科学与技术博士后流动站从事博士后研究工作,2004年出站后留校任教。现主要从事光纤通信与光纤传感、非线性光纤光学、集成光学的教学和研究工作。自2005年以来,一直主讲“非线性光学”“光脉冲技术”硕士、博士研究生课程和“光纤通信及系统”“集成光学”“光通信实验”本科生课程。作为项目负责人或研究骨干主持或参加了国家自然科学基金、国家973计划、天津市自然科学基金、天津市科技攻关培育项目等科研课题10余项。近10年来,以第一作者(通信作者)在国内外重要期刊和国际会议上发表论文30余篇,翻译出版国外著名教材和专著多部,总计600多万字。
Preface to the Chinese Edition
This book is an introduction to the theory and technology of integrated optics and photonics for graduate students in electrical engineering, and for practicing engineers and scientists who wish to improve their understanding of the principles and applications of this continually growing field. This growth has been driven mainly by the vast expansion of worldwide telecommunications and data transmission networks, which has created a strong demand for inexpensive, yet efficient and reliable, integrated optic components. Nowhere has this growth been more apparent than in the Peoples Republic of China. As a result, I believe, there has been much interest in this book among the scientists and engineers of China, dating back to its first publication in 1982.
Over the years the book has been updated with new editions about every five years to include new areas of the general field of integrated optics and photonics that have gained prominence. A total of six new chapters have been added to the original sixteen of the first edition. The most recent, Chapter 22 Nanophotonics, describes the progression from micrometer-sized elements to those with dimensions on the order of nanometers, such as quantum wires, quantum dots and photonic crystals.
I have been fortunate to be able to visit China, first in 1985 and later in 2006, to discuss progress in integrated optics with professors and students from a number of universities. They were very gracious hosts, and I formed many solid friendships, particularly with Professor Shuqi Liu and Professor Yutang Ye at the University of Electronic Science and Technology of China (UESTC) in Chengdu. Also I was very pleased to learn that Professor Yutang Ye and his colleague Dr. Jianfeng Li, of that university, had been chosen to manage the translation procedure and quality for this edition. I have enjoyed working with them to facilitate its production. Because of the publication of the Chinese version of my book, I believe that there will be more readers in China. The efforts the translators and China Publishing House of Electronics Industry have made are sincerely appreciated.
Newark, DE
April 2010R. G. Hunsperger
本书主要介绍了集成光学和光电子学的理论和技术, 它适合电子工程专业的研究生以及希望对这一持续发展领域的原理和应用有更深理解的在业工程师和科学家。全世界电信和数据传输网络的大量扩展, 产生了对廉价、高效、可靠集成光电器件的强烈需求, 从而推动了集成光学的发展。中国在这方面的发展最为显著。因此, 我相信, 很多中国科学家和工程师对本书的浓厚兴趣应该可以追溯到1982年本书在中国的首次出版。
这些年来, 本书一直与时俱进, 大约每隔5年都会有更新的版本问世, 以增加最近几年集成光学和光子学中长足发展的新领域。最初的第一版含16章, 总计已经新增6章。最近新增的第22章纳米光子学主要介绍量子线、量子点和光子晶体一类微纳元件的进展。
我有幸于1985年和2006年先后两次访问中国, 与几所大学的教授和学生交流集成光学的进展。他们都非常热情好客, 我还结识了很多真诚的朋友, 尤其是中国电子科技大学的刘树杞教授和叶玉堂教授。得知叶玉堂教授和他的同事李剑峰博士负责这一版的翻译进程及质量管理, 我非常开心。我很高兴与他们一起推动中文版的面世。由于中文版的出版, 我相信我的书在中国会有更多的读者。在此, 我要对本书的翻译人员和中国电子工业出版社所付出的努力表示由衷的感谢。
译 者 序
集成光学是在薄膜工艺、微波理论和激光技术的基础上形成的, 它不仅是现代光电子学一个新兴的重要分支, 而且还是一门涉及诸多学科领域的高新技术。从理论、工艺、材料、结构到性能水平, 集成光学都在迅猛发展;从军事到民用, 其应用领域正日益扩展。
R. G. Hunsperger 教授的Integrated Optics: Theory and Technology一书是一部具有世界影响的名著。1985年, Hunsperger 教授应邀到电子科技大学讲学(听众含西安电子科技大学等相关院校部分师生), 讲授的就是这本书;早在1983年, 该书第一版就由电子科技大学刘树杞教授、蔡伯荣教授和陈铮教授翻译成中文, 在国内出版发行;而且, 历来以基础理论、教材建设见长的前苏联以及从前苏联解体独立出来的乌克兰已分别在1985年和2003年先后将该书第二版和第五版翻译成俄文和乌克兰文, 在前苏联和乌克兰出版发行。2009年, Springer出版社推出该书第六版, 增加了纳米光子学等不少新的内容, 我们认为很有必要将它介绍给中国读者。
本书由电子科技大学的叶玉堂教授组织翻译并负责全书翻译的进程及质量管理, 全书由电子科技大学和天津大学的老师们共同完成翻译工作。其中, 电子科技大学的刘霖博士翻译第1章至第3章, 范超博士翻译第4章至第7章, 焦世龙博士和张静博士翻译前言、第19章至第22章, 乔闹生博士校对整理了部分译稿, 李剑峰博士翻译第8章、第17章和第18章、目录及索引并负责全书统稿。天津大学的贾东方博士翻译第9章至第16章。
需要说明的是, 书中“组份”一词表明三元或四元合金的化合物半导体中各组成元素所占的相对份额, 而“组分”只说明构成元素, 不涉及元素相对份额。本书中的变量和函数等符号均采用英文原版书的字体。
要特别提及的是, R. G. Hunsperger 教授为我们提供了英文版的文档资料, 为我们的翻译工作提供了不少便利。我们真诚感谢 Hunsperger 教授对于本书的翻译、出版所给予的支持和帮助!
由于译者水平有限, 错误或疏漏在所难免, 恳请读者不吝指正。
第六版前言
在过去七年里, 集成光学又有了很大的发展。集成光子器件的尺寸减少了几个数量级。之前本书各章的内容属于微米光子范畴, 因为涉及了光子和微米级物理结构的相互作用。某些光栅和量子阱的周期在100 nm数量级, 是两个例外。由于制造技术的进步, 已能制造量子线、量子点、全息光学元件(HOE)和光子晶体(PhC)之类的纳米尺寸结构。这些新型器件使光集成回路在尺寸和性能两方面都得到极大的提升。
为反映上述新的进展, 第六版新增了一章:纳米光子学, 其重要主题是光子和电子的约束限制、光子晶体和纳米器件, 还阐述了纳米结构的制作技术和评价标准。为增加一些新的参考文献, 反映新的进展, 其他篇章都做了更新。各章都附有练习题, 并有更新的习题解答手册可用。采用本书作为教材的授课教师, 可邮件联系malan@phei.com.cn获取本书相关教学资源。——编者注
R. G. Hunsperger
2009年3月于Newark
第五版前言
自从第四版出版后, 集成光学在一些新的领域又取得了很多重大成果。电信行业继续组建光纤网络, 不仅在主干网中使用, 而且将光纤波导引入到了办公室和家庭。光纤的广泛应用, 产生了对于性能卓越、价格低廉的光放大器、耦合器和光开关的广泛需求。掺铒光纤放大器(EDFA)以及用玻璃和聚合物材料制作的耦合器和光开关满足了上述需求。把微机械元器件和光器件、电子器件集成在一起的新系统已研制成功, 被称为微光机电系统(MOEM或MEM)。最近发现, 光电子器件和光集成回路还可以用于无线系统, 该类系统中将光纤用于长距离信号传输, 而以射频和微波收发机完成与用户的终端连接。
为反映上述新的进展, 第五版增加了聚合物和光纤集成光学、光放大器、微光机电器件(MEM)和无线系统中的光电器件等新的四章。为增加一些新的参考文献, 反映新的进展, 对其他章节也都做了更新。新增的几章都含附加练习题, 并有更新的习题解答手册可用。
作者衷心感谢Liu Wei 博士帮助阅读版面校样并核定一些必要的修订内容。
R. G. Hunsperger
2002年3月于Newark
第四版前言
为更新早期版本中的资料, 并增加介绍最新涌现的新技术, 有必要再次推出新的版本。为收编新的进展, 也为与增加的参考文献合并, 本版对所有篇章都做了修订。
在过去几年中, 世界范围的远程通信和数据传输网络得到了极大的扩展。很多地方已经实现了光纤到户和综合业务数字网络(ISDN)。现在很多人都登录因特网和全球信息网。网络的快速发展产生了对廉价、高效、可靠的集成光学器件的强烈需求, 如信号分路器、耦合器和复用器。由于这些需求, 在用聚合物材料和玻璃制作器件方面已做了大量工作。本书中在相应的篇章增加了对这些器件的介绍。
此外还增加了一些新的练习题, 且有一个更新的习题解答手册可用。早期版本前言中提到的补充资料授课录像带仍然可用。如需要这些补充资料, 可以直接函告作者。
作者感谢Barbara Westog女士在新材料的组织和修订稿的录入方面所给予的帮助。
R. G. Hunsperger
1995年7月于Newark
第三版前言
集成光学的持续快速发展, 使得有必要推出第三版来更新早期版本中的内容。为反映该领域的最新进展, 修订了所有篇章, 且新增一章以阐述新发明的量子阱器件这一重要主题。这些发展很可能会显著提高激光器、调制器和探测器的性能水平。
阐述了运行在长波长1.3 μm和1.55 μm 的单模系统这一通信发展趋势, 并提供一些最新研发的器件和系统的图片为证。关于此事, 给出了铟镓砷磷(InGaAsP)器件和光集成回路更宽的覆盖范围, 还介绍了分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术的新进展。本书也阐述了铌酸锂混合光集成回路的广泛发展,特别地, 这一进步促成了第一个商用光集成回路的诞生。
增加了一些新的练习题。有一个更新的练习题解手册可用, 对早期第一版前言中提到的补充资料授课录像带已做了扩展和更新。如需要这些补充资料, 可以直接函告作者。
作者感谢Garfield Simms先生为这版创作了一些新的插图, 感谢Barbara Westog女士录入了修改稿。
R. G. Hunsperger
1991年1月于Newark
第二版前言
我们编著本书的意愿是要提供一本两全其美的教材:作为集成光学的导论性课程, 教材内容要足够全面;为了便于在业工程师概览领域全貌, 数学公式的推导要足够简洁。对第一版的反映确实令人满意, 由于不同寻常的强烈需求, 首版书在出版发行的第一年就销售一空, 因此使得我们有机会较早地进行更新和改进, 推出第二版。
这一进展是很幸运的, 因为集成光学是正在高速发展的领域, 经常有大量创新研究的报道。因此, 为审视近期的成果, 也为了给相关的技术文献提供更多的参考资料, 新增加了一章(第17章)。在第一版一些篇章的最后增加了共计35个新的练习题。除简要的更新修正和印刷勘误之外, 第1章到第16章基本上没有变化。
为能不中断对以这本书作为教材的人们供书而导致的时间仓促, 所以只能在第17章增加一些新的参考文献并简要介绍近期进展。然而, 我们希望在下一版对不断的技术进步提供更加详细的阐述。
作者在此感谢Mark Bendett先生、JungHo Park先生和John Zavada博士为本版在印刷错误的校正和新练习题的拓展方面颇有价值的帮助。
R. G. Hunsperger
1983年12月于Newark
第一版前言
本书主要介绍集成光学的理论和技术, 它适合电子工程专业的研究生以及希望对这一快速发展的高新领域的原理和应用有更深理解的在业工程师和科学家。
所谓集成光学, 就是以光波导光纤代替人们熟悉的电线电缆、以光集成回路(OIC)取代传统的集成电路的新一代光电系统。在光集成回路中, 承载信号的是光束而不是电流, 且衬底母片上的各种回路原件通过光导波实现互连。集成光学系统的优点有:重量更轻、频带更宽(复用能力)、抗电磁干扰能力强、信号传输损耗低。
自20世纪60年代末开始, 集成光学领域就已经做了大量的工作, 因而在学术会议和参考书中, 光纤光学和光集成回路通常都是分开来处理的。作者认为, 由于两个领域密切相关, 这种分离是不合适的。然而, 不可否认, 那样做也是为了实际需要。因此, 本书第一章概述集成光学的整个领域, 使光集成回路与光纤光学研究的进展相联系。最后一章给出了光纤和光集成回路的具体应用实例。其他章节详细研究了光集成回路的现象、器件和技术。
最初是1975年在南加利福尼亚大学、后来在特拉华大学, 讲授研究生单学期课程集成光学, 本书系根据该课程的讲稿整理而成。该课程已录制成一个系列共20盘彩色录像带, 可与此书一起用于课程自学。有各章末所附习题的解答可用。如果需要上述补充材料, 请直接函告作者。
作者感谢为本书的出版做出贡献的所有人。尤其要感谢T. Tamir博士, 在书稿完成的整个过程中, 他提出的关键问题和建设性建议对我颇有帮助。衷心感谢H. Lotsch博士对我持续的支持和鼓励。Anne Seibel女士和Jacqueline Gregg小姐合格高效的书稿录入促成本书的及时出版, 在此一并致谢。
R. G. Hunsperger
1982年4月于Newark
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