Integrated Optics

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出版者:Springer
作者:Robert G. Hunsperger
出品人:
页数:544
译者:
出版时间:2009-04-14
价格:USD 99.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780387897745
丛书系列:
图书标签:
  • 集成光学
  • 光学
  • 光子学
  • 集成光学
  • 光学工程
  • 光波导
  • 微环谐振器
  • 硅光子学
  • 非线性光学
  • 光通信
  • 光学器件
  • 光纤光学
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具体描述

Integrated Optics explains the subject of optoelectronic devices and their use in integrated optics and fiber optic systems. The approach taken is to emphasize the physics of how devices work and how they can be (and have been) used in various applications as the field of optoelectronics has progressed from microphotonics to nanophotonics. Illustrations and references from technical journals have been used to demonstrate the relevance of the theory to currently important topics in industry. By reading this book, scientists, engineers, students and engineering managers can obtain an overall view of the theory and the most recent technology in Integrated Optics.

好的,这是一本名为《Integrated Optics》的图书的详细内容简介,旨在全面介绍其核心主题、结构和深度,同时确保内容详实、专业,且不包含任何生成痕迹: --- 图书简介:《集成光学》(Integrated Optics) 导言:光子学新纪元的基石 《集成光学》(Integrated Optics)是一部深度聚焦于光波在微纳尺度上操控与集成技术的专业著作。本书旨在为光学工程、电子工程、材料科学以及通信技术领域的研究人员、高级学生和工程师提供一套全面、严谨且具有前瞻性的理论框架和实践指导。集成光学,作为连接传统宏观光学与现代微电子技术(CMOS)的关键桥梁,正引领着信息传输、传感和计算领域向着更高速度、更低能耗的方向飞跃。本书系统梳理了这一新兴学科的物理基础、关键技术、器件设计与制造工艺,并深入探讨了其在当前及未来技术中的应用潜力。 本书的撰写基于对该领域数十年来核心文献的深刻理解,力求在保持学术严谨性的同时,兼顾工程实践的可操作性。内容组织遵循从基础原理到复杂系统集成的逻辑路径,确保读者能够构建起扎实的理论认知和器件实现能力。 第一部分:理论基础与波导物理(The Foundations: Waveguide Physics) 本部分为全书的理论基石,详细阐述了光在集成光学平台上传播的核心物理学原理。 第一章:集成光学概述与历史沿革 本章首先界定了集成光学的概念,将其与光纤光学和自由空间光学进行区分。重点探讨了集成化带来的优势,如高稳定性、大规模制造潜力及系统小型化。回顾了从早期薄膜波导实验到当前硅光子学成熟的里程碑事件,为后续内容的深入学习奠定历史背景。 第二章:介质波导理论基础 这是理解集成光器件运作的关键。本章深入分析了导光的基本机制。 平面波导(Planar Waveguides):详细推导了层状结构中的电磁场分布、有效折射率 ($n_{eff}$)、模式场分布(MFD)以及耦合系数。引入了有效折射率法(Effective Index Method, EIM),用于简化二维问题的分析。 脊形波导与槽形波导(Ridge and Slot Waveguides):重点分析了横向约束机制。讨论了光束的横向模式演化、弯曲损耗的理论模型,并引入了模式耦合理论来描述波导之间的相互作用。 损耗分析:详尽探讨了波导结构中的主要损耗来源,包括吸收损耗、散射损耗(表面粗糙度散射)和辐射损耗,并提供了量化和最小化这些损耗的工程方法。 第三章:光耦合技术 有效的输入/输出耦合是集成系统实现性能的关键瓶颈之一。本章专门针对光耦合技术进行了深入剖析。 光纤到芯片耦合(Fiber-to-Chip Coupling):对比分析了端面耦合(Edge Coupling)和光栅耦合(Grating Couplers)的优缺点。对于光栅耦合器,详细介绍了布拉格反射型光栅和耦合波理论在设计中的应用,包括其带宽、效率和斜入射容忍度。 波导间耦合:探讨了定向耦合器(Directional Couplers)的工作原理,包括耦合长度、耦合效率的依赖性分析,以及如何利用耦合器实现调制或滤波功能。 第二部分:核心器件与功能模块(Core Devices and Functional Modules) 在坚实的理论基础上,本部分转向实际构成集成光学系统的基本功能单元的设计与实现。 第四章:无源器件(Passive Components) 无源器件是实现光信号路由、分配和滤波的基础。 光分路器/合路器(Splitters/Combiners):详细分析了Y形、十字形(Mach-Zehnder based)以及多模干涉(MMI)分路器的设计准则,重点讨论了MMI器件的模式正交性要求和长度优化。 滤波器与环形谐振腔(Filters and Ring Resonators):深入研究了微纳尺度的法布里-珀罗腔和环形谐振腔。系统推导了谐振条件、品质因数(Q值)、带宽与耦合系数的关系。重点分析了如何利用环形谐振腔实现高Q值的滤波、多路复用/解复用(AWG的构建模块)和动态开关。 光波导阵列复用器(AWG):详细解析了基于阵列波导的(Arrayed Waveguide Grating, AWG)的工作原理,包括其周期性、自由光谱范围(FSR)和串扰的优化设计。 第五章:有源器件与调制技术(Active Devices and Modulation) 本章聚焦于需要电信号驱动以实现光信号控制的器件。 热光效应(Thermo-Optic Effect):这是集成光学中最成熟的调控机制。详细介绍了利用集成加热器精确控制波导折射率和相位的方法,并将其应用于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)调制器和相位调制器的设计与驱动电路。 电光效应(Electro-Optic Effect):重点讨论了如何在特定材料(如铌酸锂或高压聚合物)中实现快速的电光调制。推导了Pockels效应在波导中的应用,并分析了高速调制器(如带宽超过100 GHz的Mach-Zehnder调制器)的结构限制。 集成激光器与探测器:讨论了异质集成(Heterogeneous Integration)的关键挑战,特别是如何将III-V族半导体激光器(如InP或GaAs)高效地集成到硅基平台上,以实现片上光源。同时,介绍了片上光电探测器(如PIN或雪崩光电二极管)的结构和性能指标。 第三部分:材料、制造与系统集成(Materials, Fabrication, and System Implementation) 本部分将视角从器件层面提升到工艺和系统架构层面,探讨如何将这些器件转化为可量产的实际系统。 第六章:关键材料系统与工艺流程 集成光学的性能与所选材料及制造精度息息相关。 硅光子学(Silicon Photonics):深度分析了Si作为核心波导材料的优势(高非线性、成熟的CMOS兼容性)和局限(光吸收损耗、缺乏光源)。重点介绍了SOI(Silicon-On-Insulator)晶圆的结构、光刻(Lithography)技术对特征尺寸的控制,以及深紫外(DUV)光刻在亚波长结构制造中的作用。 替代材料系统:探讨了氮化硅(SiN)在低损耗、高功率处理方面的优势,以及铌酸锂(LNOI)在高速电光调制中的不可替代性。 第七章:先进制造与后处理技术 本章聚焦于如何实现高精度、低缺陷的器件制造。 刻蚀技术:详述了干法刻蚀(如反应离子刻蚀 RIE)在形成垂直侧壁和精确控制波导宽度方面的关键作用。讨论了侧壁粗糙度与散射损耗之间的定量关系。 键合与异质集成(Bonding and Heterogeneous Integration):这是实现全功能光子芯片的关键。详细介绍了硅-硅直接键合、氧化物键合的工艺流程,以及用于III-V材料与Si衬底对齐和连接的范德华力键合技术。 光子晶体技术(Photonic Crystals):作为突破衍射极限的手段,本章介绍了光子晶体腔和波导的原理,以及其在实现极高密度集成和超快光限制中的应用潜力。 第八章:系统级应用与未来展望 最后一部分将目光投向实际应用和前沿研究方向。 数据通信与光互连:分析了集成光学在高速数据中心光互连中的地位,包括T比特级收发模块的架构设计与功耗优化。 传感与生物光子学:阐述了集成光学器件(如高Q环形腔、表面等离子体激元器件)如何应用于高灵敏度的生化传感。 片上量子计算:探讨了集成平台在制备、操控和测量光子量子态方面的优势,以及其在可扩展量子计算架构中的潜力。 总结 《集成光学》不仅仅是一本器件手册,它是一部指导读者从基本物理原理出发,设计、优化并最终实现复杂光子集成电路的综合指南。本书通过对最新研究进展的系统梳理和对工程实践的细致剖析,致力于培养读者在微纳尺度上驾驭光波的能力,为推动下一代信息技术的发展提供坚实的理论和技术支撑。

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**评论五:** 我必须承认,这本书在讲述复杂现象时的可视化能力是我读过的光学书籍中最出色的之一。它似乎深谙人类视觉的学习机制,用精妙的二维和三维图表来解释那些抽象的电磁场分布和能带结构。尤其是在讲解耦合模式理论(CMT)时,作者构建的物理图像极其生动,让我不再需要依赖复杂的矩阵运算来理解能量在相邻波导间的交换过程。书中对光子集成电路(PIC)设计流程的梳理,也体现了极高的行业洞察力,从版图设计规则(DRC)到最终的封装测试,提供了一套完整的质量控制思路。我最喜欢的部分是它关于“鲁棒性设计”的探讨,它教导读者如何预先考虑到制造公差、温度漂移等因素,并设计出具有高容错率的器件,这才是真正体现工程智慧的地方。这本书不仅传授了知识,更传递了一种严谨、务实且富有远见的工程哲学。它不是让你死记硬背公式的工具,而是引导你学会如何像一位资深的光学架构师那样去思考问题的综合指南。

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**评论四:** 这本书的独特之处在于其前瞻性,它没有将焦点完全钉死在现有的成熟技术上,而是花了大量篇幅去展望未来可能颠覆现有格局的新兴领域。我读到关于拓扑光学的章节时,那种激动的心情难以言喻,作者用清晰的语言解释了如何通过打破时间反演对称性来构造无损耗的光传输路径,这在传统光学中是难以想象的突破。这种对基础物理原理的深刻洞察力,使得这本书超越了一般的工程手册。此外,书中关于光电集成(Photonic-Electronic Integration)的讨论也极为深刻,它不仅仅是简单地将光器件和电子芯片放在一起,而是探讨了如何实现真正意义上的异质集成,包括材料体系的兼容性和热管理难题。整本书的论述风格非常严谨,像是经过了无数次同行评审的学术论文集,但它又保持了教材应有的连贯性。对于那些渴望站在技术浪潮前沿、寻求下一代光子技术突破的研究者来说,这本书无疑提供了必要的理论基石和灵感火花。

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**评论三:** 说实话,这本书的内容密度高得惊人,我花了比预期更长的时间去消化它。它给我的感觉是,每一页都塞满了知识点,没有一句废话。作者似乎对这个领域的所有历史脉络和最新进展都了如指掌,并在行文中巧妙地穿插了不同技术路线的优劣对比。比如,在探讨光子晶体与表面等离激元学时,它没有简单地罗列公式,而是深入探讨了这两种技术在限制光传播方面的根本区别以及各自在特定应用场景(如传感器或超材料)中的适用性。这种宏观的视角和微观的细节的结合,使得整本书的层次感非常丰富。我特别欣赏它对制造工艺的描述,它清醒地认识到,光学设计永远不能脱离制造的可行性。书中关于光刻技术在制作高精度波导阵列时的关键参数控制,那一段描述得细致入微,让人不禁感叹,真正的前沿研究必然是设计、材料和工艺的深度融合。这本书,与其说是读物,不如说是一本需要反复研读的工具书,每次重读都会有新的体悟。

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**评论二:** 当我翻开这本关于光学系统设计的厚重之作时,我原本预期会遇到一堆枯燥的麦克斯韦方程组的变体。然而,令人惊喜的是,它更像是一部关于“如何用光解决实际问题”的实战指南。它的叙事节奏把握得非常好,从基础的模式理论过渡到非线性光学效应的实际应用,衔接得非常自然流畅。特别是关于调制器和探测器部分,作者没有止步于器件的物理原理,而是深入探讨了它们在高速通信链路中的性能瓶颈和优化策略,这对于系统集成工程师来说,简直是雪中送炭。我记得其中一个章节专门分析了热效应如何影响精密光学系统的长期稳定性,这种对工程约束条件的关注,远超了一般纯理论书籍的范畴。这本书的写作风格非常自信且权威,用词精准,逻辑链条严密得像是精密机械的齿轮咬合。它要求读者具备一定的数学基础,但读完后会觉得所有的投入都是值得的,因为它提供的知识是那种可以直接转化为工作成果的“硬通货”。它教会你的不仅仅是“是什么”,更是“为什么必须这样做”。

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**评论一:** 这本书,坦白说,让我这个光学工程背景的人眼前一亮。它并非那种晦涩难懂、充斥着过多理论推导的教科书,而更像是一场精心策划的、从基础概念到前沿应用的导览。作者在讲解波导理论时,那种深入浅出的功力令人佩服,初学者能够很快抓住核心思想,而资深人士也能从中找到对细节更深层次的理解。我特别欣赏它在描述光纤与集成光路接口技术时的那种务实态度,没有过多渲染“黑科技”,而是脚踏实地分析了当前面临的工程挑战和解决方案。读完前几章,我感觉自己对光在微纳结构中的行为有了一个全新的、更直观的认识。它成功地搭建起了理论框架与实际器件设计之间的桥梁,尤其是在讨论无源器件(如分束器、耦合器)的设计优化时,作者引用了大量的实例和仿真结果,这对于正在进行器件原型开发的研究人员来说,简直是宝贵的参考资料。这本书的排版和图示质量极高,清晰的示意图极大地降低了理解复杂耦合机制的难度。整体而言,这是一部既能用于教学,更适合工程实践的参考手册。

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