具体描述
《微纳光子集成》是关于光子集成理论以及制备技术的专著。全书共10章，第1章主要介绍光波导基础理论；第2、3章主要介绍光波导器件数值模拟技术；第4章主要介绍各类光波导(包括最新发展的硅纳米光波导等)基本特性以及相关制作工艺；第5章重点介绍针对光纤到户系统需求的新型集成光子器件；第6、7章重点介绍光通信系统中最具代表性的集成光子器件，包括波分复用器、微环滤波器等，并在第7章对微环传感器的最新进展作了相关介绍；第8章详细介绍最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；第9章主要介绍和总结另一种新型光波导——光子晶体波导；第10章着重介绍硅光子学的最新研究进展。
《光影的魔术师：微纳光学器件的设计与应用》 本书并非《微纳光子集成》，而是一部深度探讨微纳光学器件设计原理、制备工艺及其前沿应用的科普读物。我们将一同揭开塑造光线、驾驭光子世界的奥秘，了解那些肉眼几乎无法察觉，却在现代科技中扮演着至关重要角色的精密光学元件。 第一章：微纳光学器件的基石——光的衍射与干涉 在进入微观的光学世界之前，我们必须先理解光的基本属性。本章将从宏观的光学现象入手，如肥皂泡上绚丽的色彩、CD光盘表面的彩虹，引申到光的波动性。通过生动形象的比喻和清晰易懂的图示，我们将深入剖析光的衍射和干涉原理。我们会看到，当光遇到微小的障碍物或狭缝时，它并非直线传播，而是会发生弯曲和扩散。而当两束或多束光相遇时，它们的光强会发生叠加，时而增强，时而减弱，形成明暗相间的干涉条纹。这些看似抽象的物理概念，却是理解和设计所有微纳光学器件的出发点。我们将探讨惠更斯原理如何解释衍射现象，杨氏双缝实验如何展示光的干涉，以及夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射的差异，为后续更复杂的器件设计打下坚实的理论基础。 第二章：塑光之形——微纳光学器件的设计语言 本章将聚焦于如何“雕刻”光线，使其按照我们预设的轨迹运动。我们将介绍一系列关键的微纳光学元件，并深入探讨它们的设计理念。 衍射光栅（Diffraction Gratings）：如同一个拥有无数精密刻槽的梳子，衍射光栅能将白光分解成不同颜色的光谱，如同棱镜一般。我们将解析其结构参数（如刻槽间距、刻槽深度、占空比）如何影响衍射效率和光谱分辨率，并介绍平面光栅、全息光栅等不同类型。 衍射透镜（Diffractive Lenses / Fresnel Lenses）：与传统的曲面透镜不同，衍射透镜利用衍射效应来聚焦或发散光线，其厚度可以非常小，甚至实现平面化。我们将介绍其设计原理，如基于全息原理的衍射透镜（DOEs）和基于标量衍射理论设计的衍射透镜，以及它们的优缺点。 衍射波导（Diffractive Waveguides）：用于将光引导至特定区域，例如在增强现实（AR）或虚拟现实（VR）设备中，将图像信息精确地投射到用户的视野中。我们将探讨其结构设计和光传输机制。 光栅耦合器（Grating Couplers）：用于将自由空间中的光高效地耦合到光波导中，是光子集成芯片中不可或缺的组件。我们将分析不同耦合结构的设计，以及如何优化耦合效率。 超表面（Metasurfaces）：这是本章的重点之一。超表面是由亚波长尺寸的纳米结构单元（如纳米天线、纳米柱）周期性或非周期性排列而成的二维平面结构。通过精确设计这些纳米结构单元的形状、尺寸、材料和排列方式，我们可以精确地控制光的幅度和相位，实现超越传统光学元件的功能，如全息成像、束缚态到连续态的透射（BCC）、完美透镜等。我们将详细介绍设计超表面时需要考虑的参数，如局域相位控制、幅度控制、极化控制等，并展望其在全息显示、光通信、传感等领域的巨大潜力。 第三章：巧手匠心——微纳光学器件的制备工艺 有了精妙的设计，还需要高超的“手艺”将其转化为现实。本章将带您领略制造这些微小光学器件的先进工艺。 光刻技术（Lithography）：这是微纳制造的核心技术。我们将介绍光刻的基本原理，包括掩模版、光刻胶、曝光和显影过程。重点讲解先进的光刻技术，如电子束光刻（EBL）和多重曝光技术，它们能够实现纳米级别的精度。 刻蚀技术（Etching）：在光刻后，需要通过刻蚀将图案转移到基底材料上。我们将介绍干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE）和湿法刻蚀，以及它们各自的特点和适用范围。 薄膜沉积（Thin Film Deposition）：用于在基底上沉积所需的材料，如二氧化硅、氮化硅、金属材料等，以构建光学结构。我们将介绍物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等技术。 自组装技术（Self-Assembly）：利用材料自身的物理化学性质，在特定条件下实现纳米结构的有序排列，这是一种高效且低成本的制造方法。 第四章：光影的舞台——微纳光学器件的前沿应用 微纳光学器件虽然微小，却在众多前沿科技领域发挥着革命性的作用。 生物医学成像与诊断：微纳光学探针、高分辨率显微镜、微流控芯片中的光学检测元件，能够实现对细胞、组织乃至分子级别的精确观察和分析，为疾病的早期诊断和治疗提供有力支持。 通信与信息技术：光栅耦合器、衍射透镜在光通信网络中的应用，能够实现光信号的高效传输和处理，提升数据传输速率。 显示技术：全息显示、衍射光波导在AR/VR设备中的应用，能够呈现更加真实、沉浸式的视觉体验。 传感技术：微纳光学传感器能够灵敏地检测环境中的物理、化学或生物信号，如温度、压力、气体浓度、生物分子等，广泛应用于环境监测、工业控制和医疗健康。 新能源：太阳能电池中的微纳结构设计，能够提高光的吸收效率，从而提升能源转化效率。 结语： 《光影的魔术师：微纳光学器件的设计与应用》旨在为读者打开一扇通往微观光学世界的大门。我们相信，通过深入了解这些精巧的光学器件，您将能够更好地理解现代科技的进步，并激发更多关于未来光学的创新灵感。本书将以严谨的科学态度，结合生动的讲解，带您领略光学的无限魅力，感受科技创新的力量。
作者简介
何赛灵，92年获瑞典皇家工学院(KTH)博士学位。任KTH教授及KTH-浙江大学联合光子研究中心首席科学家。“国家海外高层次人才引进计划” (“千人计划”)入选者，OSA(美国光学学会)&SPIE(国际光学工程学会)的Fellow。著有一本国际专著、400多篇国际期刊文章并且拥有20多项发明专利。
目录信息
前言第1章 光波导基本理论 1.1 平板波导 1.1.1 射线理论分析法 1.1.2 波动理论分析法 1.1.3 高斯近似模场 1.2 条形波导 1.2.1 Macatili方法 1.2.2 等效折射率方法 1.3 本章小结 参考文献第2章 光束传输方法 2.1 全矢量波动方程 2.2 BPM 2.3 BPM应用实例 2.3.1 实例1：定向耦合器 2.3.2 实例2：马赫一曾德尔干涉仪 2.4 本章小结 参考文献第3章 时域有限差分方法 3.1 引言 3.2 麦克斯韦方程的FDTD计算式及基本性质 3.2.1 Yee元胞及差分格式 3.2.2 数值稳定性条件 3.2.3 数值色散与噪声 3.3 完美匹配层吸收边界条件 3.4 激励源设置 3.4.1 脉冲源与稳态源 3.4.2 总场散射场分离 3.5 色散介质的有限差分方法 3.5.1 联系D和E的因果性和几种典型色散模型 3.5.2 色散介质的FDTD差分算法 3.6 计算实例与分析 参考文献第4章 常见光波导材料与结构 4.1 典型光波导材料与结构 4.1.1 SiO2材料及波导 4.1.2 Ⅲ-V族半导体材料及波导 4.1.3 铌酸锂(LiNbO3)材料及波导 4.1.4 聚合物材料及波导 4.1.5 硅绝缘体材料及波导 4.1.6 新型纳米光波导 4.1.7 光波导材料及结构小结 4.2 光波导器件的制作工艺 4.2.1 波导层薄膜生长 4.2.2 光刻工艺 4.2.3 刻蚀技术 4.3 光波导器件的测试 4.3.1 测试流程 4.3.2 测试装置 4.3.3 波导传输损耗测试方法 4.3.4 光波导器件的封装与测试 4.4 本章小结 参考文献第5章 光波导耦合器 5.1 光耦合器概述及分类 5.2 光耦合器的一般技术参数 5.3 Y分支概述 5.3.1 Y分支的基本原理 5.3.2 Y分支的设计举例 5.3.3 可调谐Y分支 5.3.4 Y分支的应用 5.4 MMI耦合器 5.4.1 MMI耦合器基本原理 5.4.2 MMI耦合器的应用 5.5 定向耦合器 5.6 本章小结 参考文献第6章 波分复用器 6.1 波分复用技术 6.2 波分复用器件 6.3 AWG 6.3.1 AWG原理和几何设计 6.3.2 AWG的理论建模 6.4 EDG 6.5 波分复用器件优化设计 6.5.1 带通平坦设计 6.5.2 偏振不敏感设计 6.5.3 热不敏感设计 6.5.4 低串扰设计 6.5.5 其他优化设计 6.6 波分复用器件的应用 6.6.1 单纤三向器件 6.6.2 光码分多址复用的编解码器应用 6.7 本章小结 参考文献第7章 微环谐振器及相关器件 7.1 概述 7.2 基本原理 7.2.1 基本结构 7.2.2 基本参量 7.2.3 基本功能 7.3 传输矩阵法 7.3.1 振幅耦合方程 7.3.2 单环滤波器 7.3.3 并联双环滤波器 7.3.4 串联双环滤波器 7.4 基于微环谐振器的集成光子器件 7.4.1 滤波器 7.4.2 波分复用器件 7.4.3 微环传感器 7.4.4 微环激光器 7.4.5 微环光调制器 7.4.6 微环光开关 7.5 本章小结 参考文献第8章 基于表面等离子体结构的纳米光集成 8.1 引言 8.2 表面等离子体的基本性质 8.2.1 金属的色散模型 8.2.2 金属/介质单界面上的表面等离子体 8.2.3 多层结构中的表面等离子体 8.3 表面等离子体在亚波长光集成中的应用 8.3.1 金属纳米颗粒阵列波导 8.3.2 长程表面等离子体器件 8.3.3 MIM波导及器件 8.4 本章讨论与展望 参考文献第9章 光子晶体波导及器件 9.1 光子晶体简介 9.1.1 光子晶体的概念 9.1.2 光子晶体的应用 9.2 光子晶体波导 9.2.1 二维平板光子晶体 9.2.2 光子晶体平板波导 9.2.3 基于光子晶体波导的基本单元 9.3 基于光子晶体波导的新型集成器件 9.3.1 光子晶体功分器 9.3.2 光子晶体波分复用器 9.3.3 光子晶体光开关 9.3.4 光子晶体慢波波导 9.3.5 光子晶体高Q值微腔 9.4 光子晶体波导的制作 9.5 本章小结与讨论 参考文献第10章 硅光子学 10.1 概述 10.2 半导体物理基础 10.2.1 晶体 10.2.2 能带及材料的分类 10.2.3 电子的跃迁和空穴 10.2.4 直接带隙和间接带隙半导体 10.2.5 硅材料的特性 10.3 硅基拉曼激光器 10.3.1 拉曼散射和受激拉曼散射 10.3.2 双光子吸收和自由载流子吸收 10.3.3 硅基拉曼激光器 10.4 硅基电光调制器 10.4.1 自由载流子等离子色散效应 10.4.2 基于马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基电光调制器 10.4.3 基于微环谐振器结构的硅基电光调制器 10.5 硅基光电探测器 10.5.1 硅基锗探测器 10.5.2 硅基离子注入探测器 10.5.3 波导和探测器的耦合 10.6 硅和Ⅲ-V族材料的混合集成 10.7 本章小结 参考文献
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