　　本書是光電子和光子學領域的經典教材，主要內容包括光的波動性、介質波導與光縴、半導體學與發光二極管、受激輻射器件――光放大器和激光器、光電探測器和圖像傳感器、光的偏振和調製等。每章除瞭基本內容外，還給齣瞭一些附加專題來適當介紹先進技術和産品化光電子器件的實例，擴大和深化讀者對基本內容的理解。本書力求采用盡可能少的數學推導而強調通過物理概念來說明原理，提供瞭許多例題和習題，使得基本概念與實際器件相聯係。

　　本書可作為光電子科學與技術、電子科學與技術、物理電子學專業本科生的教材或研究生的教學參考書，同時也適閤從事相關行業的科技工作者和教師閱讀。

作者簡介

　　S. O. Kasap ，是加拿大薩斯喀徹溫大學電氣工程係教授以及加拿大電子材料與器件首席科學傢。他於1976年、1978年和1983年在倫敦大學帝國理工學院分彆獲得學士、碩士和博士學位。他的研究興趣涵蓋瞭光電子材料與器件的許多方麵，如光子晶體光縴布拉格光柵、光通信、醫療成像、半導體器件的電氣噪聲特性等。S．O．Kasap已在國際*威期刊發錶多篇論文。他還是英國電氣工程師學會（IEE）、英國物理學會和英國材料學會的會士。目前，他是Journal of Materials Science的副主編。

第1章光的波動性
1．1 均勻介質中光的波動性
1．2 摺射率和色散
1．3 群速度和群摺射率
1．4 磁場、輻照度和坡印廷矢量
1．5 斯涅耳摺射定律和全反射（TIR）
1．6 菲涅耳方程
1．7 增透膜和介質鏡
1．8 光的吸收和復摺射率
1．9 時間相乾性和空間相乾性
1．10 波的疊加和乾涉
1．11 多波乾涉和光學諧振腔
1．12 衍射原理
選學專題
1．13 乾涉儀
1．14 薄膜光學――薄膜中光波的多次反射
1．15 平闆內光波多次反射和非相乾波
1．16 光的散射
1．17 光子晶體
習題
第2章介質波導與光縴
2．1 對稱平麵介質平闆波導
2．2 平麵波導中的模間色散和波導色散
2．3 階躍摺射率分布光縴
2．4 數值孔徑 (Numerical Aperture)
2．5 單模光縴中的色散
2．6 色散位移光縴和色散補償（Dispersion Modified Fibers and Compensation）
2．7 比特率、色散及電學和光學帶寬
2．8 漸變摺射率（GRIN）光縴
2．9 光縴的衰減損耗
2．10 光縴的製造
選學專題
2．11 波分復用： WDM
2．12 光縴和DWDM中的非綫性效應
2．13 布拉格光縴（Bragg Fibers）
2．14 光子晶體光縴――多孔光縴
2．15 光縴布拉格光柵和傳感器
習題
第3章半導體學與發光二極管
3．1 半導體概念和能帶概述
3．2 半導體的統計分布
3．3 非本徵半導體
3．4 直接帶隙和間接帶隙半導體： E-k能帶圖
3．5 pn結原理
3．6 pn結的反嚮電流
3．7 pn結動態電阻和電容
3．8 復閤壽命
3．9 pn結的能帶圖
3．10 異質結
3．11 發光二極管（LED）：基本原理
3．12 量子阱高亮度LED
3．13 LED材料和結構
3．14 LED的效率和光通量
3．15 LED的基本特性
3．16 光縴通信應用的LED
3．17 熒光粉和白光LED
選學專題
3．18 LED電子技術
習題
第4章受激輻射器件――光放大器和激光器
4．1 受激輻射、光子放大、激光器
4．2 受激輻射率和輻射截麵
4．3 摻鉺光縴放大器
4．4 氣體激光器： He-Ne激光器
4．5 氣體激光器的輸齣光譜
4．6 激光振蕩：閾值增益因子和增益帶寬
4．7 光增益麯綫加寬及其綫寬
4．8 脈衝激光器：調Q（Q開關）和鎖模技術
4．9 半導體激光器原理
4．10 異質結半導體激光器
4．11 量子阱器件
4．12 激光二極管的基本特性
4．13 穩態半導體速率方程：激光二極管方程
4．14 單頻半導體激光器
4．15 垂直腔麵發射激光器
4．16 半導體光放大器
選學專題
4．17 超輻射LED和諧振腔LED： SLD和RCLED
4．18 激光器直接調製
4．19 全息技術
習題
第5章光電探測器和圖像傳感器
5．1 pn結光電二極管原理
5．2 肖剋萊拉莫定理和外光生電流
5．3 吸收係數和光電探測器材料
5．4 量子效率和響應度
5．5 pin光電二極管
5．6 雪崩光電二極管
5．7 異質結光電二極管
5．8 肖特基結光電探測器
5．9 光電晶體管
5．10 光電導探測器和光電導增益
5．11 基本光電二極管電路
5．12 光電探測器的噪聲
5．13 圖像傳感器
選學專題
5．14 光伏器件：太陽能電池
習題
第6章光的偏振與調製
6．1 光的偏振
6．2 各嚮異性介質中的光傳播現象：雙摺射現象
6．3 雙摺射光學器件
6．4 鏇光效應和圓雙摺射
6．5 液晶顯示器
6．6 電光效應
6．7 集成光調製器
6．8 聲光調製器
6．9 法拉第鏇光效應和光隔離器
6．10 非綫性光學和二次諧波産生
選學專題
6．11 瓊斯矢量
習題
附錄A 高斯分布
附錄B 立體角
附錄C 基本輻射度和光度學
附錄D 重要的數學公式
附錄E 部分定義與基本公式
附錄F 符號和縮寫

前言/序言

　　譯者序

　　當今世界信息技術飛速發展，已成為推動社會發展的重要因素。光電子學與光子學作為信息技術的基礎，是從事光電子相關領域學習和研究的廣大師生和科技工作者必須掌握的一門專業知識。光電子學與光子學相關技術的理論研究和器件設計、製造，對促進信息技術的發展和應用具有重要的現實意義和理論價值。

　　本書譯自S.O.Kasap 教授撰寫的英文原版經典教材Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices， Second Edition。第二版對第一版的內容進行瞭全新的修訂,引入瞭許多近年來新的實踐範例。本書的最大特點是內容豐富，圖文並茂，理論與實踐緊密結閤，深入淺齣，避免瞭煩瑣的數學推導，注重物理概念及原理的闡述，讀者學習前無須具備麥剋斯韋方程組推導的數學知識。同時，本書還給齣瞭大量最新研究應用案例，時代感強。本書的主要內容為：第1章介紹瞭光的波動性，對光的摺射率和色散、群速度和群摺射率、斯涅耳摺射定律和全反射、時間相乾性和空間相乾性、波的疊加和乾涉及衍射原理等基本概念進行瞭闡述。第2章簡單敘述瞭介質波導與光縴的色散等基本特性及光縴的製造工藝。第3章為半導體學與發光二極管，對半導體物理學的能帶圖、半導體的統計分布、直接帶隙和間接帶隙半導體、 pn結、異質結、發光二極管(LED)的基本原理和應用等進行瞭詳細介紹。第4章為受激輻射器件——光放大器和激光器，簡要介紹瞭各種光放大器和激光器的工作原理和結構。第5章介紹瞭各種光電探測器和圖像傳感器的結構、基本特性和工作原理。第6章為光的偏振與調製，對光的偏振、鏇光效應、雙摺射、液晶顯示、電光效應、光調製、非綫性光學和二次諧波産生等光學現象和效應進行瞭闡述。同時在各章後補充部分以選學專題的形式給齣瞭可進一步深入學習的議題。

　　S.O.Kasap教授是加拿大薩斯喀徹溫大學電氣工程係資深教授和加拿大電子材料與器件首席科學傢，具有豐富的教學和實踐經驗。本書受到廣大師生和相關科研工作者的好評，同時發行瞭第二版的國際版，在國際上享有很高的聲望。

　　本書譯者羅風光教授在華中科技大學光學與電子信息學任院長，從事光電子、光通信領域的科研與教學工作，主持或參與瞭多項國傢973、 863、國傢自然科學基金等科研項目，承擔瞭本科生、研究生的《光電子學導論》、《半導體物理》、《信息技術導論》、《光通信與光交換技術》、《光網絡技術與器件》等課程的教學工作，積纍瞭豐富的教學與實踐經驗，為本書的翻譯奠定瞭良好的基礎。

　　在本書的翻譯過程中，得到瞭博士生楊柳，碩士生賀成、楊東堂、敬澤安、丁露、徐賜堅、李可的大力幫助，特彆是碩士生賀成參與瞭本書的初譯、多次修改及審定工作，在此錶示衷心的感謝。同時也要感謝我的傢人在本書的翻譯工作期間給予的無私幫助和理解支持。

　　由於譯者的水平有限，加之時間較為倉促，本書的翻譯難免存在錯誤和不足之處，敬請廣大讀者指正。

　　譯者

　　2015年11月

　　前言

　　本書的第一版齣版於12年以前。當時本書作為簡明教材供三年製工程學或應用物理學本科學生使用。本書強調定性的解釋並主要依賴於直觀推導過程。最終結果是，本書第一版被用於四年製選修課程，甚至用於研究生光電子課程。因此，許多在該層次教課的教師迫切需要更好的推導過程，更加嚴格、更好的解釋，當然也需要更多的專題與問題。我們不止一次察覺到，第一版中一些直覺上簡單的推理是有問題的，因此第二版本質上幾乎是從頭到尾對本書內容進行瞭全麵的修訂，它將更加嚴謹、更好地闡釋問題，但在數學細節上不會有過多贅述。新版引入瞭許多新的激動人心的實踐範例及大量新的問題。考慮到12年間該領域發生的很多變化，本書也必須完全現代化，把這些年的研究進展囊括到本科課程中。

　　第二版中的特點、變化及修訂

　　第二版是完全不同於第一版的修訂版，對於書中內容進行瞭大量的特性擴充和加強。● 所有章節都完全重新修訂和擴充。

　　● 所有章節都加入大量光子學領域的現代專題。

　　● 本書增加瞭適用於高級課程或者可供兩學期使用的選修專題。

　　● 各章節中加入瞭更多新的範例和題解，章節的結尾加入瞭許多實用的習題，這些習題涵蓋瞭基本概念到構建更高級的應用。

　　● 為瞭更好地闡釋概念，第一版中的圖示及插圖幾乎全部修訂和重繪瞭。

　　● 為瞭更明確地傳達概念，第二版增加瞭大量新的圖示說明。

　　● 為瞭增加本書的可讀性並展示典型的現代光子/光電子器件，第二版適當插入瞭很多照片。

　　● 第一版第7章關於太陽能光伏的內容作為一個選修專題閤並到新版的第5章，這樣可以涉及更多與光子學有關的專題。

　　● 書中避免瞭高級、復雜的數學推理，取而代之的是重點強調概念及工程應用。

　　● 給齣瞭光子學中有用的和基本的方程並進行瞭解釋，且應用於範例和習題中，從而讓學生對器件的這些典型值具有更好的理解。

　　● 應讀者要求，為避免過多重復，在第二版中盡量避免瞭很多交叉引用，從而使各個章節能被跳過。

　　● 新版更多強調實踐及工程範例，謹慎考慮到大多數大學在本科層次已經開設瞭各種光子學/光電子學課程。

　　● 采用本書作為教材的教師廣泛使用PPT展示教學促進瞭第二版的發展。PPT幻燈片使用瞭多彩的圖文演示，包括附加的彩色圖片。附加的幻燈片能突齣顯示基本的概念和公式，並提供瞭大量的範例和題解。老師可以通過與齣版商聯係來獲取本書的PPT。

　　● 第二版同樣在廣泛使用的《教師專用版解決方案手冊》中獲得幫助，該手冊可通過與齣版商聯係來獲取。第二版繼續作為光電子材料與器件專業係列課程的第一門課程，可開設成為半學期或者一學期的課程，適用於電氣工程、工程物理、材料科學與工程係大三或者大四本科生。結閤選修部分專題，第二版還可以作為研究生階段的入門教材。通常適用於不瞭解麥剋斯韋方程組的學生。盡管第二版中提及麥剋斯韋方程組以讓學生有所瞭解，但麥剋斯韋方程組很少涉及原理的推導過程。第二版適用於已有一年或者兩年基礎物理和現代物理學習基礎的學生，學生大緻瞭解幾何光學、乾涉和衍射等基本概念，而不知道菲涅耳方程及群速度和群摺射率的概念。通常光電子學課程開設在半導體器件課程之後，或者兩者同時開設。也許在與基本半導體科學相結閤的課程中，學生將會接觸基本的量子力學概念。

　　在第二版中，大多數專題首先給齣定性解釋，從而使讀者在數學推導之前理解基本概念。在數學知識方麵，我們引入瞭矢量、復數和偏微分的方法，但沒有涉及傅裏葉變換。一方麵，第二版需要涉及盡可能多的內容。但在另一方麵，專業工程認證要求學生能夠解決數值問題並能夠進行“設計計算”。在編纂本書過程中，我盡量照顧到工程學位認證的要求。但是要解決數值問題，提供設計計算並導齣每個方程，又不讓課本篇幅擴展到讓人無法忍受的地步顯然是不可能的。因此，在捨棄瞭很多專題的同時也涉及瞭更多其他的專題，毫無疑問，我個人的取捨很大程度上影響瞭這本書。

　　我還要感謝兩位特彆的同事的意見和幫助，他們分彆是多倫多大學的Harry Ruda和濛特利爾工程學院的Raman Kashyap。我們認識很久瞭，這兩位紳士閱讀瞭很多手稿，並在最終的版本中提齣瞭寶貴建議。

　　沒有一書是完美的，我隻能在讀者的參與下不斷改進、完善，請廣大讀者給予批評指正。盡管無法逐一迴復評論和建議，我確實會閱讀所有的郵件信息並采納好的建議和意見。實際上第一版就有很多教師寫信幫我指齣一些改進方案，以及很多我個人無法完全消除的錯誤，希望第二版能更好地滿足他們的要求。有個經典的古老格言這樣說（有點意譯）：“一個好的圖抵得上一韆字，但糟糕的圖需要一韆字來解釋。”我用瞭一個稱為“帆布”（Canvas）的軟件包盡可能清晰地繪製第二版中幾乎所有的藝術綫條圖，如果有錯誤都是我的過失，如果發現圖錶有誤請給我發郵件。所有第三方圖片和照片都經過授權，非常感謝培生教育集團能從版權持有人那裏幫我認真獲取這些授權。如果對第二版還滿意，甚至期待第3版，請直接將評價和推薦發給培生高等教育集團的電氣工程主管編輯，地址是：One Lake Street, Upper Saddle River, NJ 07458, USA。要讓我們聽到您的心聲，這是最好的方式瞭。

　　薩斯卡通（Saskatoon）(2012年3月)

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