Fundamentals of Photonics（フォトニクスの基礎）

引用

Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2019). Fundamentals of Photonics (3rd ed., 2 vols.). Wiley.

章の要約

第3版は全2巻、約1,500ページのセットである。第1巻『Optics』は13章、第2巻『Photonics』はさらに12章からなる。各巻には、フーリエ変換と線形システムに関する付録、記号と単位の一覧、索引が付いている。出版社によれば、各章には強調された式、演習問題、問題、要約、読書案内があり、実際のシステムの例も含まれている。また、予備的な節がより高度な話題へと積み上がっていく構成だと説明されている。

第1巻：光学

出版社は光の4つの理論を順に提示しており、それらはこの巻の章題に対応する。光線光学（第1章）、波動光学（第2章）、電磁光学（第5章）、光子光学（第13章）である。

第1–3章：光線光学／波動光学／ビーム光学

本書は最も単純な光のモデルである光線から始まり、次に波動の描像、そして光線の記述と波動の記述の中間に位置するビームの扱いへと進む。

第4章：フーリエ光学

出版社は、予備的な節が導いていくより高度な話題として、フーリエ光学とホログラフィーを挙げている。

第5–6章：電磁光学／偏光光学

光は電磁場として記述され、続いて偏光光学が独立した話題として扱われる。

第7–8章：フォトニック結晶光学／金属とメタマテリアルの光学

第7章は周期的な誘電体構造を扱う。第8章は第3版で新たに加わった章で、出版社は金属の光学とプラズモニックデバイスを扱うと説明しており、章題にはメタマテリアルも含まれている。

第9–10章：導波光学／ファイバー光学

導波路に閉じ込められた光が第9章の主題であり、光ファイバーは第10章で別に扱われる。

第11–13章：共振器光学／統計光学／光子光学

これらの章は、光共振器、光の統計的記述、そして本書の光の理論の4つ目である光子光学を扱い、第1巻を締めくくる。

第2巻：フォトニクス

第2巻は、光の性質から、光を生成し、変調し、検出し、伝送する素子へと進む。

第14–16章：光と物質／レーザー増幅器／レーザー

第14章は光と物質の相互作用を扱う。出版社は、光の4つの理論と並べてこれを強調している。第15章と第16章はレーザー増幅器とレーザーに移る。

第17–19章：半導体光学／LEDとレーザーダイオード／光検出器

3つの章が、半導体光学と、半導体から作られる発光素子・受光素子を扱う。

第20–23章：音響光学／電気光学／非線形光学／超高速光学

出版社は、音響光学素子、電気光学素子、非線形光学素子、超高速光学を、より高度な話題として挙げている。これら4つの章は、光を音や電場で制御する方法、強い光が通過する媒質をどのように変えるか、そして非常に短いパルスをどのように記述するかを扱う。

第24–25章：光インターコネクトとスイッチ／光ファイバー通信

本書はシステムで終わる。第24章が光インターコネクトとスイッチ、第25章が光ファイバー通信である。

主要概念

第1巻：光学（第1–13章）

• 光線光学・波動光学・電磁光学・光子光学：光についての、順により完全になる4つの記述で、それぞれが固有の適用範囲で成り立つ。
• ビーム光学：単一の光線でも平面波でもない光の記述。
• フーリエ光学：光学場を空間周波数の和として扱う方法で、結像とホログラフィーの基礎となる。
• フォトニック結晶とメタマテリアル：周期的あるいは設計された構造が光の伝搬を決める素材。
• 導波と共振器：導波路、ファイバー、空洞に閉じ込められた光。

第2巻：フォトニクス（第14–25章）

• 光と物質の相互作用：原子や固体における吸収、放出、利得で、増幅器とレーザーの基礎となる。
• 半導体の発光素子と受光素子：LED、レーザーダイオード、光検出器。
• 音響光学・電気光学による制御：音波や電場で光を変調すること。
• 非線形光学と超高速光学：光の強度に依存する効果と、非常に短いパルスの振る舞い。

批判的分析

長所

• 1セットで見渡せる範囲。 光線から光ファイバー通信までが1つの流れにまとまっており、各素子がそれ以前の光の理論の上に成り立っていることをたどれる。
• 段階的な提示。 出版社によれば、予備的な節がより高度な話題へと積み上がるため、各章でどこまで進むかを講義に合わせて決められる。
• 各章の学習支援。 出版社は、各章に強調された式、演習問題、問題、要約、読書案内があり、実際のシステムの例も含まれると述べている。
• 第3版での更新。 金属とプラズモニックデバイスに関する章が新たに加わり、第2版の24の章はすべて更新された。

短所

• 非常に長い。 2巻で約1,500ページあり、1つの講義で使い切れる量を超えているため、章を選ぶ必要がある。
• 広く浅い面がある。 光学と素子にわたる25章であるため、非線形光学や半導体レーザーのような分野には1章か数章しか割かれておらず、専門書ほどの深さにはならない。
• 版を重ねての増加。 第2版は24章で、第3版は25章目を加えており、セットはより重くなった。出版社は入門レベルの教科書と位置づけているが、講義では取捨選択が必要になる。

コースにおける位置づけ

SalehとTeichの本は、この光学コースの書籍リストの中で最も包括的である。FrenchのVibrations and Wavesは、光学全体の土台となる波動を扱う短い1年次向けの教科書であり、WalmsleyのLight: A Very Short Introductionは、光とは何かを数式をほとんど使わずに述べる。HechtのOpticsとPedrottiのIntroduction to Opticsは学部向けの光学教科書で、Hechtは古典的な基礎と光学機器を展開し、Pedrottiは幾何光学から波動光学、レーザーへと行列法を通して進む。SalehとTeichは第1巻で同じ主題と重なり、その先の素子とシステムへ進む。Born and WolfのPrinciples of Opticsは、マクスウェル方程式から数学的に詳細に光学を展開する古典的な参考書であり、本書の素子志向とは異なる種類の深さを持つ。

本書の使い方

出版社は本書を工学と応用物理の入門レベルの教科書と位置づけている。電磁気学と波動の講義を修め、微分方程式とフーリエ解析に慣れていると最も準備が整う。光と物質を扱う章では量子力学の知識が役に立つ。

実践的な進め方は次のとおりである。

• 土台： 第1–6章は、光線、波動、ビーム、フーリエ、電磁気の各記述と偏光を扱う。学部の光学の講義を経た学生は素早く読み進めてよいが、第4章と第5章には最も注意を向けたい。
• 第1巻の選択： 第7–12章（フォトニック結晶、金属とメタマテリアル、導波、ファイバー、共振器、統計光学）は講義に応じて選ぶ。第13章は第2巻への準備になる。
• 第2巻の素子： 第14–16章と第17–19章はレーザーとオプトエレクトロニクスの講義の中核であり、第20–25章は変調、非線形・超高速光学、光通信を別々のモジュールとして扱える。

章末の演習問題と問題を解くこと。章の数学で行き詰まったときは、フーリエ変換と線形システムの付録を参照するとよい。