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光通信&光波导书籍介绍
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infotek
2023-03-20 10:06
光通信&光波导书籍介绍
《optisystem案例解析》
??e#E[bI
vdFQf ^l
5P t}
B| 0 s4E
前言
4kY{X%9
光通信系统的复杂性几乎每天都在增加。这些系统的设计和分析通常包括非线性器件和非高斯噪声源，这是非常复杂和费时的。因此，现在只有在先进的软件工具的帮助下才能有效地执行这些任务。
$j4?'-i=e
OptiSystem是一个创新的光通信系统模拟软件，可设计、测试和优化从模拟局域网到洲际主干网等各种光网络物理层中几乎所有类型的光链路。
VL!kX``^F
OptiSystem是一个独立的产品，不依赖于其他仿真框架。它是一种基于光纤和自由空间通信系统真实建模的系统级仿真软件。它拥有一个强大的新仿真环境和层次化的元件和系统定义。它的功能可以很容易地通过添加用户元件进行扩展，并可以与各种工具无缝对接。
hb8@br
软件中内置了全面的图形用户界面(GUI)可控制元件布局和网表、元件模型和演示图形，拥有丰富的有源和无源元件库包括真实的、与波长相关的参数。通过参数扫描，您可以研究特定器件规格对系统性能的影响。
mX_Uhpw?t
OptiSystem 旨在满足研究科学家、光电信工程师、系统集成商、学生和其他各种用户的需求；它满足了蓬勃发展的光子学市场对功能强大且易于使用的光学系统设计工具的需求。
Y*X6lo
本书主要内容包含了8个光通信系统的案例，每个案例都详细地描述了如何从零开始搭建复杂的光通信系统，这8个案例涵盖了OptiSystem中最为常用的功能，希望读者通过此书，可以熟练使用OptiSystem，并且应用到科研与工作中。
O@(.ei*HJ!
本书中存在的不足之处，敬请读者不吝指正！
u1|Y;*
<~8f0+"
.2 SIU4[P
]H9HO2wGQ
目 录
安装OptiSystem 3
%?G.lej,x
简介 5快速入门 9
y7G|P~td
案例1：发射机-外调制激光 30案例2：子系统-分层模拟 34
6;c{~$s~[
案例3：光学系统-WDM设计 50案例4：参数扫描-BERx输入功率 68
c$SxDYG
案例5：双向模拟——使用多次迭代 75案例6：时间驱动模拟-单独采样 84
"YvBb:Z>
案例7：光放大器-设计光纤放大器和光纤激光器 90案例8：光学系统-使用多模组件 112
@_(@s*4W
附录A：信号表示 137附录B：全局参数参考指南 147
="TOa"Zk
u 'n%BVt
&b ]KMAo3
?(L? X&)v
《OptiSystem学习手册-光通讯系统仿真设计》
%fSk "%u%<
o!dkS/u-m
=Q 0 )t_z_
7a.#F]`
d_|v=^;
-a^sX%|Bl
3&d +U)E
$gtT5{"PN(
Z5^ U F2`Q
书籍目录：
GKDG 5u;
第一章 开始
c+M@{EbuN
一OptiSystem 7.0有何新功能--------------------------------------------------------------------------------------------------1
]mU*Y:<
二OptiSystem 6.0 加入的特色-------------------------------------------------------------------------------------------------5
a}]@ o"
三简介----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9
`2~Ea_Z
四快速上手---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13
lVBy&f
第二章 使用者参照
/OtQk -E
一安装OptiSystem-------------------------------------------------------------------------------------------------------------34
]vyF &`phb
二主题结构综述---------------------------------------------------------------------------------------------------------------36
x,*t/nzR
三OptiSystem图形使用者接口-----------------------------------------------------------------------------------------------37
SmEd'YD!J
四OptiSystem选单和按钮-----------------------------------------------------------------------------------------------------43
' GO..m"G
五Application Layout-----------------------------------------------------------------------------------------------------------50
IIEU{},}z
第三章 教学
U`4Z j1y
一发射器—外部调变激光----------------------------------------------------------------------------------------------------53
BTQC1;;N
二子系统—仿真分级----------------------------------------------------------------------------------------------------------78
1{gl RY '
三光通讯系统—WDM系统设计---------------------------------------------------------------------------------------------95
|,~A9
四参数扫描—误码率×输入功率------------------------------------------------------------------------------------------- 113
(NV=YX?s
五双向模拟—工作在多重迭代----------------------------------------------------------------------------------------------121
X)+sHcE~#
六时间驱动仿真—个别采样操作-------------------------------------------------------------------------------------------131
b#'a4j-u
七光放大器—设计光纤放大器的光纤激光器-----------------------------------------------------------------------------138
Mj;'vm7#'
八光系统—工作在多模态组件----------------------------------------------------------------------------------------------163
Gjh7cm>
第四章 光发射器
juZ3""
一Optical transmitters---------------------------------------------------------------------------------------------------------193
]lG\t'R
二Semiconductor laser modulation response（半导体激光调变响应）-------------------------------------------------195
gV>\lMc[-%
三Laser noise and linewidth（激光噪声和线宽）-------------------------------------------------------------------------198
bg. KkJMrR
四Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser - VCSEL Validation（垂直腔面射型激光-VCSEL 组件确认）-----------199
.`=PE&xq
五 Using the Laser Measured Component（使用 Laser Measured 组件）----------------------------------------------222
PG]mwaj])
第五章 光纤
#gT^hl5/
一群速色散(Group Velocity Dispersion；GVD)对高斯脉冲(Gaussian pulse)传播的影响----------------------------229
At|t k
二极化模态色散(Polarization Mode Dispersion；PMD)对脉冲传播的影响--------------------------------------------239
^0~1/ PhOw
三交叉相位调变(Cross Phase Modulation；XPM)和四波混频(Four Wave Mixing；FWM)的影响-----------------242
srA~gzF
四GVD和SPM对高斯脉冲传播的综合影响-------------------------------------------------------------------------------250
#i U/Yg!
五GVD和SPM对调变稳定性的综合影响----------------------------------------------------------------------------------255
|hyr(7
六PMD引起的超短脉冲扩展现象------------------------------------------------------------------------------------------263
s*WfRY*=V
七FWM效应的验证----------------------------------------------------------------------------------------------------------274
DKCy h`
八受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering；SRS)--------------------------------------------------------------------280
k/Ro74f=
九SRS－分离信道------------------------------------------------------------------------------------------------------------285
*9&YkVw~
十由SPM引起的频谱扩展现象----------------------------------------------------------------------------------------------289
(3 *Hl
十一由XPM引起的频谱不对称放大现象----------------------------------------------------------------------------------294
1 niTkop
十二克尔快门(Kerr shutter)--------------------------------------------------------------------------------------------------301
) O^08]Y g
十三双向光纤和拉曼(Raman)的设计---------------------------------------------------------------------------------------307
A84HaRlkF5
第六章 光接收器
5!%/j,?
一调变型式(Modulation formats)--------------------------------------------------------------------------------------------310
aE$p;I
二选取热噪声参数为特定接受器灵敏度-----------------------------------------------------------------------------------313
$ wB
三接收器噪声－PIN----------------------------------------------------------------------------------------------------------315
5X-(@GwN
四接收器噪声－散粒噪声增强的APD--------------------------------------------------------------------------------------317
oOz6Er[KO
五接收器灵敏度－误码率----------------------------------------------------------------------------------------------------320
+rX,Sl`/
六接收器灵敏度－最小输入功率--------------------------------------------------------------------------------------------322
/LzNr0> 2
七灵敏度退化－消光比(Extinction ratio)------------------------------------------------------------------------------------324
(8R M| &
八信号退化－时闪(Jitter)-----------------------------------------------------------------------------------------------------325
W=w@SO_?wp
第七章 掺杂光纤放大器
)G gx
一在Erbium doped fiber（掺铒光纤）上Gain（增益）和Noise（噪声）的分析---------------------------------------327
K; lC#
二最佳化EDFA增益的WDM（分波多任务系统）光波系统-------------------------------------------------------------331
5xKR ]u
三在EDFA性能中激发态吸收的影响----------------------------------------------------------------------------------------334
Pl6=._
四离子与离子相互作用的影响-----------------------------------------------------------------------------------------------341
t,6=EK*3T
五在EDFA中的Rayleigh（瑞利）后散射------------------------------------------------------------------------------------347
2>s;xZ@/'R
六在EDFA中的Inhomogeneous broadening（非均匀宽化）--------------------------------------------------------------353
,#haai(
七在EDFA中的功率瞬时------------------------------------------------------------------------------------------------------360
K.7 gd1I
八在EDFA中的温度变化------------------------------------------------------------------------------------------------------367
i9" 1
九Ytterbium-doped fiber amplifiers（掺镱光纤放大器）-------------------------------------------------------------------372
R/|o?qTrj
十 SPO（单一参数最佳化）最佳化－系统极限---------------------------------------------------------------------------376
"de:plMofy
十一SPO最佳化-EDFA光纤长度---------------------------------------------------------------------------------------------380
uuB\~ #?T
十二EDFA-基本概念-----------------------------------------------------------------------------------------------------------381
i[n 1}E.@
十三Booster Amplifier（光功率放大器）-----------------------------------------------------------------------------------387
B~rK3BS
十四Inline Amplifier（中继放大器）----------------------------------------------------------------------------------------390
UW3F)
十五Preamplifier（前置放大器）--------------------------------------------------------------------------------------------393
Bnv%W4
十六泵激要求------------------------------------------------------------------------------------------------------------------395
P&;I]2#
十七在EDFA中的瞬时控制---------------------------------------------------------------------------------------------------398
w6 .HvH-@?
十八放大器的特性-------------------------------------------------------------------------------------------------------------402
q[ZYlF,Ho
十九自动控制模拟-------------------------------------------------------------------------------------------------------------407
"{lnSLk
二十Reflective（反射式）放大器--------------------------------------------------------------------------------------------414
Lf9h;z>#
二十一 Gain Flattening Filter（增益平坦滤波器）的Optimization（最佳化）------------------------------------------418
q?\D9aT9
第八章拉曼放大器
yAe}O#dy
一在100nm频带宽下平坦增益的拉曼放大器－平均功率模块-----------------------------------------------------------423
Y._AzJ&B[
二使用多泵激（multipump）配置的平坦增益宽带之拉曼放大器-------------------------------------------------------430
,s K-gw
三拉曼放大器的增益平坦度之最佳化泵激功率和频率-------------------------------------------------------------------435
oJy/PR 3
四拉曼放大器－动态模块-----------------------------------------------------------------------------------------------------441
tWuQKN`_
第九章 半导体光放大器
ZW"J]"A
一SOA的增益饱和度－与实验结果来做比较------------------------------------------------------------------------------446
E*vi@aI
二SOA当中继放大器--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 450
= '[@UVH(Z
第十章 色散管理
G39t'^ZK*#
一色散补偿架构－以系统的角度来看--------------------------------------------------------------------------------------456
QWEK;kUa@
二使用理想色散组件的色散补偿--------------------------------------------------------------------------------------------461
COafVlJ,l
第十一章 光孤子
Pc<ZfO #
一基本与高阶光孤子----------------------------------------------------------------------------------------------------------467
teb(\% ,
二光孤子的交互作用----------------------------------------------------------------------------------------------------------472
pppbn]%Ob
第十二章 数位调变
]g :ZokU
一Digital Modulation – DPSK--------------------------------------------------------------------------------------------------479
KAZz) 7
二Digital Modulation – OQPSK----------------------------------------------------------------------------------------------- 495
\b->AXe8
第十三章 RZ与NRZ调变型式在40Gb/s系统下的比较-------------------------------------------------------------------- 497
z,WrLZC
第十四章 16通道分波多任务（WDM）系统设计-------------------------------------------------------------------------511
gqG"t@Y+
y\x<!_&D
r%4:,{HF
《OptiBPM入门教程》
t<tBOesQ
随着时代的发展，人们对光网络带宽的需求越来越高，光通信网络也越来越复杂。各类光通信系统中，存在着许多的波导类元件，如分束器，耦合器，复用器，AWG等，这些元件在整个光通信系统中起着至关重要的作用。而此类光波导器件研发人员，可以使用OptiBPM来对相关的元器件进行模拟分析与设计，这可以大大降低时间成本和物料成本。
6822xk
:gXj( $
OptiBPM是基于光束传输算法（BPM-矢量BPM、半矢量BPM以及标量BPM）来模拟光通过任意波导介质（各向同性与各向异性）。并可使用合适的数值方法，如Crank-Nicholson方法和Scheme Parameter以及ADI，来进行计算，计算过程中可以使用合适的边界条件，如TBC和PML边界条件，以完成整个波导结构的仿真和分析，获得任意位置处的电磁场分布。
2bmppDk
l_WY];a
通过OptiBPM，科研人员可以同时观察近场分布（包含幅度、相位等），检测辐射以及方向场（Guided Field）。OptiBPM能够提升科研人员在波导器件设计的效率，减小风险并降低整体研发产品成本。
7VraWW`H'
_C?K;-v}
本书详细描述了各类光波导模型的创建以及分析方法，旨在帮助OptiBPM软件初学者快速学会常用的软件功能。本书主要参考OptiWave公司发布的案例以及相关操作手册翻译整理而成。
gTT-7
=*pu+o,?
本书第一章主要介绍了软件的安装方法以及软件的开发背景，第二~十三章，分别描述了如何创建以及分析常见的波导类器件，如MMI耦合器、MMI星形耦合器、3dB耦合器、电光调制器、Chip-to-Fiber对接耦合器、马赫泽德干涉仪等，并包含了创建各类波导的方法和分析方法，如参数扫描，脚本自定义等。第十四章主要描述了如何将OptiBPM设计的元器件，导入到OptiSystem（一款光通信系统模拟仿真软件）中做联合仿真，可以查看此元器件在光通信系统中的具体行为。
eYFCf;
r\zK>GVm_
《OptiBPM入门指南》，是由上海讯技光电工程师翻译整理而来，译者希望本书能够对OptiBPM的使用者有所帮助，通过学习后能够较好的掌握OptiBPM软件的基本使用方法。由于译者水平有限，书中错误纰漏之处在所难免，敬请同行读者批评和指正
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上海讯技光电科技有限公司
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a %kj)ah
YA jk'
目 录
9Bn dbS i
1 入门指南 4
7^1ikmYY
1.1 OptiBPM安装及说明 4
ts ] +W!:
1.2 OptiBPM简介 5
p\AS f
1.3 光波导介绍 8
#AHIlUH"m
1.4 快速入门 8
Y+E@afsKs
2 创建一个简单的MMI耦合器 28
*T3"U|0_ y
2.1 定义MMI耦合器材料 28
T!n<ya!
2.2 定义布局设置 29
I('l )^m%
2.3 创建一个MMI耦合器 31
Oe?nX>
2.4 插入input plane 35
=vWnqF:
2.5 运行模拟 39
G} p~VLf
2.6 在OptiBPM_Analyzer中查看模拟结果 43
wBf bpoE7
3 创建一个单弯曲器件 44
b$BUo8O}
3.1 定义一个单弯曲器件 44
cWi2Sls
3.2 定义布局设置 45
UC QL~
3.3 创建一个弧形波导 46
a aBBI S
3.4 插入入射面 49
WJ%b9 {<
3.5 选择输出数据文件 53
r=vE 0;7
3.6 运行模拟 54
-B c.<pFqp
3.7 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 57
[4gv_g
4 创建一个MMI星形耦合器 60
*m;L.r`5[
4.1 定义MMI星形耦合器的材料 60
=J:~AD#
4.2 定义布局设置 61
4 P.ry|2
4.3 创建一个MMI星形耦合器 61
,PB?pp8C}
4.4 插入输入面 62
]2<g"zo0
4.5 运行模拟 63
) }EwEM
4.6 预览最大值 65
7M4iBk4I
4.7 绘制波导 69
"/q6E
4.8 指定输出波导的路径 69
%Z .!Bm:
4.9 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 71
It4F ;Ah
4.10 添加输出波导并预览仿真结果 72
vO\CPb %/
4.11 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 74
@8 pRI S"V
5 基于VB脚本进行波长扫描 75
SXhJz=h
5.1 定义波导材料 75
vt1!|2{ h
5.2 定义布局设置 76
i}Y:o }
5.3 创建波导 76
$HaM, Oh;i
5.4 修改输入平面 77
]$7|1-&Y
5.5 指定波导的路径 78
GK)hK-
5.6 运行模拟 79
qU}[( 9~Ru
5.7 在OptiBPM_Simulator中预览模拟结果 81
>yaRz+
5.8 应用VB脚本进行模拟 82
V Bg\)r[
5.9 在OptiBPM_Analyzer中查看模拟结果 84
A y{4R
6 应用VB脚本设计一个3dB的耦合器 88
'RPe5 vB
6.1 定义3dB耦合器所需的材料 88
ej0q* TH.
6.2 定义布局结构 89
2 nf{2edC
6.3 绘制并定位波导 91
H.YntFtD'
6.4 生成布局脚本 95
s}5;)>3~@
6.5 插入和编辑输入面 97
+UB. M
6.6 运行模拟 98
7 ,:QFV
6.7 修改布局脚本 100
m49)c K?
6.8 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 102
VH8,!# Q;
7 应用预定义扩散过程 104
|'Jz(dv[
7.1 创建一个由钛在铌酸锂中扩散所形成的线性波导 104
|kj k{
7.2 定义布局设置 106
(u~@@d"
7.3 设计波导 107
Y M5;m PR
7.4 设置模拟参数 108
NpSS/rd $
7.5 运行模拟 110
NZv1dy`fa
7.6 基于钛和镁在铌酸锂中的扩散，创建一个掩埋波导 111
<FP&1Eg!|
7.7 将模板以新的名称进行保存 111
Y gg+*z
7.8 添加一个新的轮廓 111
w'}b 8m(L
7.9 创建上方的线性波导 112
huO_ARwK'
8 各向异性BPM 115
D&.+Dx^G
8.1 定义材料 116
1B 2>8 N
8.2 创建轮廓 117
m'Ran3rp
8.3 定义布局设置 118
/CH*5w)1
8.4 创建线性波导 120
gVb;sk^
8.5 设置模拟参数 121
aK 'BC>uFI
8.6 预览介电常数分量 122
?xIw Q d0
8.7 创建输入面 123
y<kW2 <?
8.8 运行各向异性BPM模拟 124
orJN# 0v4
9 创建一个chip-to-fiber对接耦合器 127
h/5.>[VwDh
9.1 定义chip-to-fiber对接耦合器的材料和波导 128
PKmr5FB
9.2 定义布局设置 130
K1jE _]@Z
9.3 创建一个chip-to-fiber对接耦合器 130
BjSLbw-C
9.4 编辑输入平面 132
Uh{|@D
9.5 设置模拟参数 134
kid@*.I
9.6 运行模拟 135
\:8 >@Q
10 电光调制器 138
L )kwMk
10.1 定义电解质材料 139
H|5\c=
10.2 定义电极材料 140
wgY: W:y'N
10.3 定义轮廓 141
: W^ k3/t
10.4 绘制波导 144
qEE V&
10.5 绘制电极 147
dxsPX =\:
10.6 静电模拟 149
ht)J#Di
10.7 电光模拟 151
Ub3^Js!b%
11 折射率(RI)扫描 155
` C$.
11.1 定义材料和通道 155
'V/+v #V+>
11.2 定义布局设置 157
)ui]vS:>
11.3 绘制线性波导 160
2 {(_{9<>z
11.4 插入输入面 160
# R}sGT
11.5 创建脚本 161
bs/Vn 'CE
11.6 运行模拟 163
rjz$~(&m6
11.7 在OptiBPM_Analyzer中预览结果 163
icH\(
12 应用用户自定义扩散轮廓 165
<A<N? `"
12.1 定义材料 165
| bDUekjR
12.2 创建参考轮廓 166
'b~,/lZd
12.3 定义布局设置 166
)CKPzNf
12.4 用户自定义轮廓 167
jYI\.bc
12.5 根据参考轮廓检测用户自定义轮廓 170
D5^wT>3>
13 马赫-泽德干涉仪开关 172
"&W8 0,O3
13.1 定义材料 173
l]C#bL>i
13.2 创建钛扩散轮廓 173
0w)G b}o$
13.3 定义晶圆 174
} ,+ &y^
13.4 创建器件 175
-Q9} gaH_
13.5 检查x-y切面的RI轮廓 177
+8h!@
n 'gU
13.6 定义电极区域 178
HHzA mHt
`)?N7g[ \u
13.7 定义输入平面和模拟参数 18213.8 运行模拟 182
b1\.hi
13.9 创建脚本 18414 应用OptiBPM和OptiSystem进行光集成电路模拟-散射数据导出 186
SJ8Ax_9{q
14.1 理论背景 18614.2 波导Vertical Offset位置设置 189
,v ,#f .
14.3 生成脚本数据 19014.4 导出散射数据 193
05hjC
14.5 创建臂 19414.6 在OptiSystem内加载*.s文件 197
X;'H@GU0
14.7 加载两个臂的文件 20014.8 在OptiSystem内完成布局 201
(ZSd7qH"
14.9 连接元件 20214.10 运行模拟 203
ip8%9fG\>
14.11 创建图以查看结果 204
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-c4g;;%
e*)*__$O
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