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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》
I=9!Rs(QF
Za8#$`zq
/ iV}HV0
)R 2.
前言
MxcFvo*LCp
光通信系统的复杂性几乎每天都在增加。这些系统的设计和分析通常包括非线性器件和非高斯噪声源，这是非常复杂和费时的。因此，现在只有在先进的软件工具的帮助下才能有效地执行这些任务。
% v7[[U{T
OptiSystem是一个创新的光通信系统模拟软件，可设计、测试和优化从模拟局域网到洲际主干网等各种光网络物理层中几乎所有类型的光链路。
tl '9IGlc
OptiSystem是一个独立的产品，不依赖于其他仿真框架。它是一种基于光纤和自由空间通信系统真实建模的系统级仿真软件。它拥有一个强大的新仿真环境和层次化的元件和系统定义。它的功能可以很容易地通过添加用户元件进行扩展，并可以与各种工具无缝对接。
G 0; XaL:
软件中内置了全面的图形用户界面(GUI)可控制元件布局和网表、元件模型和演示图形，拥有丰富的有源和无源元件库包括真实的、与波长相关的参数。通过参数扫描，您可以研究特定器件规格对系统性能的影响。
e-*.Ca
OptiSystem 旨在满足研究科学家、光电信工程师、系统集成商、学生和其他各种用户的需求；它满足了蓬勃发展的光子学市场对功能强大且易于使用的光学系统设计工具的需求。
| j a-
本书主要内容包含了8个光通信系统的案例，每个案例都详细地描述了如何从零开始搭建复杂的光通信系统，这8个案例涵盖了OptiSystem中最为常用的功能，希望读者通过此书，可以熟练使用OptiSystem，并且应用到科研与工作中。
/'DsB%7g
本书中存在的不足之处，敬请读者不吝指正！
cEd+MC N
w MP
Bk\Gj`"7
mzc 4/<th
目 录
安装OptiSystem 3
k{$ ao
简介 5快速入门 9
aKJQm '9Ks
案例1：发射机-外调制激光 30案例2：子系统-分层模拟 34
Yx inE`u~
案例3：光学系统-WDM设计 50案例4：参数扫描-BERx输入功率 68
k`p74MWu
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
#\ n8M
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
e$uiJNS2
附录A：信号表示 137附录B：全局参数参考指南 147
0,Y5KE{
Tk O[rAC
h=_0+\%
VA% Un,5h
《OptiSystem学习手册-光通讯系统仿真设计》
[mr9(m[F
dVo.Czyd
U*P. :BvG
R$Tp8G >j
3y~r72J
Iu *^xn
MqA`yvQm
13 &0rLS
gxMfu?zk"
书籍目录：
%-AE]-/HI
第一章 开始
k8uvNLA)a
一OptiSystem 7.0有何新功能--------------------------------------------------------------------------------------------------1
gOK\%&S]
二OptiSystem 6.0 加入的特色-------------------------------------------------------------------------------------------------5
?cEskafb>
三简介----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9
.*JA!B
四快速上手---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13
e BO@7 F$
第二章 使用者参照
D'hW|
一安装OptiSystem-------------------------------------------------------------------------------------------------------------34
rzI|?QaPi
二主题结构综述---------------------------------------------------------------------------------------------------------------36
NAzX". g
三OptiSystem图形使用者接口-----------------------------------------------------------------------------------------------37
|s)?cpb
四OptiSystem选单和按钮-----------------------------------------------------------------------------------------------------43
a9?y`{% L
五Application Layout-----------------------------------------------------------------------------------------------------------50
\ S)2
第三章 教学
I;?X f
一发射器—外部调变激光----------------------------------------------------------------------------------------------------53
h<\_XJJ
二子系统—仿真分级----------------------------------------------------------------------------------------------------------78
{ga ai
三光通讯系统—WDM系统设计---------------------------------------------------------------------------------------------95
`H3.,]
四参数扫描—误码率×输入功率------------------------------------------------------------------------------------------- 113
=@5x"MOz
五双向模拟—工作在多重迭代----------------------------------------------------------------------------------------------121
}O4se" xK
六时间驱动仿真—个别采样操作-------------------------------------------------------------------------------------------131
08m;{+|vY
七光放大器—设计光纤放大器的光纤激光器-----------------------------------------------------------------------------138
`K >?ju"
八光系统—工作在多模态组件----------------------------------------------------------------------------------------------163
)I-f U4?
第四章 光发射器
*VkgQ`c
一Optical transmitters---------------------------------------------------------------------------------------------------------193
xlR2 |4|8
二Semiconductor laser modulation response（半导体激光调变响应）-------------------------------------------------195
6 Ik,zQL
三Laser noise and linewidth（激光噪声和线宽）-------------------------------------------------------------------------198
#s%-INcR
四Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser - VCSEL Validation（垂直腔面射型激光-VCSEL 组件确认）-----------199
Y}D onF
五 Using the Laser Measured Component（使用 Laser Measured 组件）----------------------------------------------222
a3 >zo N
第五章 光纤
Wi}FY }f
一群速色散(Group Velocity Dispersion；GVD)对高斯脉冲(Gaussian pulse)传播的影响----------------------------229
`ZaT} # Y
二极化模态色散(Polarization Mode Dispersion；PMD)对脉冲传播的影响--------------------------------------------239
{A o,t+j
三交叉相位调变(Cross Phase Modulation；XPM)和四波混频(Four Wave Mixing；FWM)的影响-----------------242
5')8r ';,
四GVD和SPM对高斯脉冲传播的综合影响-------------------------------------------------------------------------------250
*$M'`vj:
五GVD和SPM对调变稳定性的综合影响----------------------------------------------------------------------------------255
0J8K9rP;z
六PMD引起的超短脉冲扩展现象------------------------------------------------------------------------------------------263
{3Vk p5%l
七FWM效应的验证----------------------------------------------------------------------------------------------------------274
*AIEl"29
八受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering；SRS)--------------------------------------------------------------------280
=)OC|?9 C\
九SRS－分离信道------------------------------------------------------------------------------------------------------------285
l#wdpD a{
十由SPM引起的频谱扩展现象----------------------------------------------------------------------------------------------289
do ^RF<G
十一由XPM引起的频谱不对称放大现象----------------------------------------------------------------------------------294
p=QYc)3F
十二克尔快门(Kerr shutter)--------------------------------------------------------------------------------------------------301
Ih[+K#t+E
十三双向光纤和拉曼(Raman)的设计---------------------------------------------------------------------------------------307
Bfv.$u00p
第六章 光接收器
J%]D%2vnk`
一调变型式(Modulation formats)--------------------------------------------------------------------------------------------310
# 9LzY
二选取热噪声参数为特定接受器灵敏度-----------------------------------------------------------------------------------313
d'9:$!oz
三接收器噪声－PIN----------------------------------------------------------------------------------------------------------315
F Cc=e{
四接收器噪声－散粒噪声增强的APD--------------------------------------------------------------------------------------317
il:nXpM!
五接收器灵敏度－误码率----------------------------------------------------------------------------------------------------320
gX?n4Csy'
六接收器灵敏度－最小输入功率--------------------------------------------------------------------------------------------322
Sb:T*N0gS
七灵敏度退化－消光比(Extinction ratio)------------------------------------------------------------------------------------324
0X(]7b&~R
八信号退化－时闪(Jitter)-----------------------------------------------------------------------------------------------------325
bxXiQa
第七章 掺杂光纤放大器
XO F1c3' H
一在Erbium doped fiber（掺铒光纤）上Gain（增益）和Noise（噪声）的分析---------------------------------------327
s 2v(=
二最佳化EDFA增益的WDM（分波多任务系统）光波系统-------------------------------------------------------------331
*V; 3~x!
三在EDFA性能中激发态吸收的影响----------------------------------------------------------------------------------------334
Q: |w%L*E
四离子与离子相互作用的影响-----------------------------------------------------------------------------------------------341
K$REZ e
五在EDFA中的Rayleigh（瑞利）后散射------------------------------------------------------------------------------------347
s-V SH
六在EDFA中的Inhomogeneous broadening（非均匀宽化）--------------------------------------------------------------353
!1uzX Kb
七在EDFA中的功率瞬时------------------------------------------------------------------------------------------------------360
~- F? Mc
八在EDFA中的温度变化------------------------------------------------------------------------------------------------------367
b]]N{: I
九Ytterbium-doped fiber amplifiers（掺镱光纤放大器）-------------------------------------------------------------------372
C6& ( c
十 SPO（单一参数最佳化）最佳化－系统极限---------------------------------------------------------------------------376
WIh@y 2&R
十一SPO最佳化-EDFA光纤长度---------------------------------------------------------------------------------------------380
`$z)$VuP
十二EDFA-基本概念-----------------------------------------------------------------------------------------------------------381
i`O rMzL
十三Booster Amplifier（光功率放大器）-----------------------------------------------------------------------------------387
G(1 K9{i$
十四Inline Amplifier（中继放大器）----------------------------------------------------------------------------------------390
y^FOsr
十五Preamplifier（前置放大器）--------------------------------------------------------------------------------------------393
\`,xgC9K
十六泵激要求------------------------------------------------------------------------------------------------------------------395
(5uJZ!m
十七在EDFA中的瞬时控制---------------------------------------------------------------------------------------------------398
5`E))?*"Pe
十八放大器的特性-------------------------------------------------------------------------------------------------------------402
8Xm@r#Oy 5
十九自动控制模拟-------------------------------------------------------------------------------------------------------------407
twk&-:'
二十Reflective（反射式）放大器--------------------------------------------------------------------------------------------414
0D)`2W
二十一 Gain Flattening Filter（增益平坦滤波器）的Optimization（最佳化）------------------------------------------418
f8:$G.}i
第八章拉曼放大器
-0,4eg j3
一在100nm频带宽下平坦增益的拉曼放大器－平均功率模块-----------------------------------------------------------423
`!w^0k Z
二使用多泵激（multipump）配置的平坦增益宽带之拉曼放大器-------------------------------------------------------430
Eo{EK I1
三拉曼放大器的增益平坦度之最佳化泵激功率和频率-------------------------------------------------------------------435
4^!4eyQ^
四拉曼放大器－动态模块-----------------------------------------------------------------------------------------------------441
Kv+Bfh
第九章 半导体光放大器
'0+$ m=
一SOA的增益饱和度－与实验结果来做比较------------------------------------------------------------------------------446
vg8O] YF
二SOA当中继放大器--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 450
%3a|<6
第十章 色散管理
|tG+iF@4
一色散补偿架构－以系统的角度来看--------------------------------------------------------------------------------------456
v29G:YQe
二使用理想色散组件的色散补偿--------------------------------------------------------------------------------------------461
Uk-HP\C"7
第十一章 光孤子
@%@zH% b
一基本与高阶光孤子----------------------------------------------------------------------------------------------------------467
te2 Iu%5 z
二光孤子的交互作用----------------------------------------------------------------------------------------------------------472
\].J -^=
第十二章 数位调变
4-:7.I(hq
一Digital Modulation – DPSK--------------------------------------------------------------------------------------------------479
C;sgK
二Digital Modulation – OQPSK----------------------------------------------------------------------------------------------- 495
M< qudi
第十三章 RZ与NRZ调变型式在40Gb/s系统下的比较-------------------------------------------------------------------- 497
?TuI:dC
第十四章 16通道分波多任务（WDM）系统设计-------------------------------------------------------------------------511
^&: 'NR
c)1=U_6 1
H,>#|F
《OptiBPM入门教程》
K ~>jApZ%
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。
AQci,j"
J`Oy .Qu)
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。
t>U!Zal "
X N;/nU
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。
NdQ%:OKC
/Antb6E
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。
/ {G/|a
4 10:%WGc
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。
XZ:1!;
A ^B@VuK
《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
1 !s28C5u
上海讯技光电科技有限公司
O: u%7V/
Wg1 tip8s
uJPH~mdW
目 录
qWB%),`j>
1 入门指南 4
/w~C~6z @!
1.1 OptiBPM安装及说明 4
>0T3 '/k<H
1.2 OptiBPM简介 5
W#45a.v
1.3 光波导介绍 8
MYTS3(
1.4 快速入门 8
U,3d) ]Zy&
2 创建一个简单的MMI耦合器 28
sfC@*Y2XT
2.1 定义MMI耦合器材料 28
d[U1.SN L
2.2 定义布局设置 29
XZ@ >]P
2.3 创建一个MMI耦合器 31
s, -*q}
2.4 插入input plane 35
)[DpK=[N^p
2.5 运行模拟 39
K.h]JD]o
2.6 在OptiBPM_Analyzer中查看模拟结果 43
/.-m}0h|W-
3 创建一个单弯曲器件 44
' PL_~
3.1 定义一个单弯曲器件 44
GI4oQcJ
3.2 定义布局设置 45
6bJ"$ o
3.3 创建一个弧形波导 46
d H_2 o
3.4 插入入射面 49
em/Xu
3.5 选择输出数据文件 53
AJW LEc4XK
3.6 运行模拟 54
STp!8mL
3.7 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 57
#wD7 \X-f
4 创建一个MMI星形耦合器 60
7xR|_+%~K
4.1 定义MMI星形耦合器的材料 60
*(VbPp_H_
4.2 定义布局设置 61
h*l4Y!7
4.3 创建一个MMI星形耦合器 61
n +d J c
4.4 插入输入面 62
YUS?]~XC7x
4.5 运行模拟 63
ws().IZ
4.6 预览最大值 65
6)+9G_
4.7 绘制波导 69
KF4see;;
4.8 指定输出波导的路径 69
'Ix5,^M}B
4.9 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 71
)x9]xqoR
4.10 添加输出波导并预览仿真结果 72
* p"O* zj
4.11 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 74
R]V TV7D
5 基于VB脚本进行波长扫描 75
]kH}lr yG
5.1 定义波导材料 75
(>r|j4$
5.2 定义布局设置 76
@d P~X
5.3 创建波导 76
67,3i~
5.4 修改输入平面 77
Ob g@YIwn
5.5 指定波导的路径 78
Xi*SDy
5.6 运行模拟 79
~W /}:;
5.7 在OptiBPM_Simulator中预览模拟结果 81
?P YNE
5.8 应用VB脚本进行模拟 82
e Ri!\Fx
5.9 在OptiBPM_Analyzer中查看模拟结果 84
g)nXo:)&
6 应用VB脚本设计一个3dB的耦合器 88
>T(M0Tkt
6.1 定义3dB耦合器所需的材料 88
1y(iE C
6.2 定义布局结构 89
&?v#| qIh
6.3 绘制并定位波导 91
4&H+hN{3
6.4 生成布局脚本 95
` -5 cQ2>"
6.5 插入和编辑输入面 97
f!^)!~
6.6 运行模拟 98
! 7Nn ]Lx
6.7 修改布局脚本 100
>5df@_'
6.8 在OptiBPM_Analyzer中预览模拟结果 102
`GP3 D~
7 应用预定义扩散过程 104
vFR 1UPF
7.1 创建一个由钛在铌酸锂中扩散所形成的线性波导 104
gnYnL8l`J
7.2 定义布局设置 106
fyGCfM
7.3 设计波导 107
I S.F
7.4 设置模拟参数 108
T?Z OHH8
7.5 运行模拟 110
.k p $oAL
7.6 基于钛和镁在铌酸锂中的扩散，创建一个掩埋波导 111
]zX\8eHp!
7.7 将模板以新的名称进行保存 111
%d ZM9I0
7.8 添加一个新的轮廓 111
yi&?d&rK
7.9 创建上方的线性波导 112
}t}38%1 i
8 各向异性BPM 115
q^ u6f?B
8.1 定义材料 116
x ru(Le}E
8.2 创建轮廓 117
|F3vRt@
8.3 定义布局设置 118
'wegipK~R
8.4 创建线性波导 120
f*UBigk
8.5 设置模拟参数 121
KPD@b= F
8.6 预览介电常数分量 122
d 4[poi ~
8.7 创建输入面 123
q`h7H][(A
8.8 运行各向异性BPM模拟 124
sn2r >m3
9 创建一个chip-to-fiber对接耦合器 127
(di)`D5Q
9.1 定义chip-to-fiber对接耦合器的材料和波导 128
=H L9Z
9.2 定义布局设置 130
D[+|^,^>
9.3 创建一个chip-to-fiber对接耦合器 130
p.qrf 7N$
9.4 编辑输入平面 132
qT 5Wa O)
9.5 设置模拟参数 134
ks)fQF Sbu
9.6 运行模拟 135
$ 0ym_6n
10 电光调制器 138
L;L2j&i%v)
10.1 定义电解质材料 139
4+B rTGp
10.2 定义电极材料 140
k0gJ('zah
10.3 定义轮廓 141
oM/B.U2a
10.4 绘制波导 144
Rv0-vH.n
10.5 绘制电极 147
(D:KqGqoT
10.6 静电模拟 149
]Fb8.q5(Y
10.7 电光模拟 151
r[ Z g 2
11 折射率(RI)扫描 155
sxf} Mmsk
11.1 定义材料和通道 155
Vj?*= UL
11.2 定义布局设置 157
-Pv P
11.3 绘制线性波导 160
rGQ86L<
11.4 插入输入面 160
4Sd+"3M
11.5 创建脚本 161
/ <(R
11.6 运行模拟 163
JDIz28 Ww
11.7 在OptiBPM_Analyzer中预览结果 163
wY."Lw> 6
12 应用用户自定义扩散轮廓 165
d#x8O4S%i2
12.1 定义材料 165
(or =f`
12.2 创建参考轮廓 166
Y j ,9V],
12.3 定义布局设置 166
{jq^hM!TEy
12.4 用户自定义轮廓 167
n=lggBRx
12.5 根据参考轮廓检测用户自定义轮廓 170
yQ72v'
13 马赫-泽德干涉仪开关 172
#g5't4zqx
13.1 定义材料 173
wWp?HDl"M
13.2 创建钛扩散轮廓 173
nS?S6G5h
13.3 定义晶圆 174
Z&2 &wD
13.4 创建器件 175
# c 8"
13.5 检查x-y切面的RI轮廓 177
Br_3qJNVP
1q;I7_{ 2
13.6 定义电极区域 178
1\"BvFE*E~
AX!Md:s
13.7 定义输入平面和模拟参数 18213.8 运行模拟 182
~:'gvR;x
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
M%nZu{
14.1 理论背景 18614.2 波导Vertical Offset位置设置 189
#d7)$ub
14.3 生成脚本数据 19014.4 导出散射数据 193
rd f85%%7
14.5 创建臂 19414.6 在OptiSystem内加载*.s文件 197
6 d{D3e[p^
14.7 加载两个臂的文件 20014.8 在OptiSystem内完成布局 201
)wyu+_:
14.9 连接元件 20214.10 运行模拟 203
{Tjtj@-
14.11 创建图以查看结果 204
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0 /D5
'Q^G6'(SaK
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