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[波兰] 斯瓦沃米尔·苏耶茨基 著，武冀 译

图书标签:

• 光通信
• 光子学
• 建模
• 设计
• 系统
• 光纤通信
• 模拟
• 优化
• 器件
• 理论

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111532200

版次：1

商品编码：11932162

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 国际信息工程先进技术译丛

开本：16开

出版时间：2016-05-01

用纸：胶版纸

页数：312

编辑推荐

适读人群 ：电子信息技术、通信工程、光子学等专业的本科生和研究生，通信及集成电路行业的设计工

　　《光通信系统中的光子学建模与设计》授权引进及翻译自CRC出版公司的图书《Photonics Modelling and Design》，从光传播理论到光纤中的光短脉冲传播，再到现实中光学器件，详细地介绍了关于光子学器件建模和仿真的方方面面，更难得的是，书中还在每段内容后面分条列出了设计思路，并根据该思路附上了MATLAB代码，方便读者更好地理解。本书由曾翻译过《全面详解LTE：MATLAB建模、仿真与实现》和《ROF光载无线通信：从理论到前沿》等图书的青年工程师武冀老师的翻译，维持了他一贯的简洁通俗风格，力求将原作者苏耶茨基博士扎实的理论、丰富的经验和严谨的推到展现给广大读者，对于电子信息技术、通信工程、光子学专业的学生和从业者来说，是一本不可多得的好书。

　　———本书责任编辑

内容简介

　　《光通信系统中的光子学建模与设计》着重介绍如何使用工程或应用物理学，对光子器件进行建模和设计。内容涵盖了绝缘介质中的光传播分析、热扩散和载流子输运和光纤和半导体激光器的建模，并讨论了光纤中的光短脉冲传播。本书基础教学和研究并重，其内容既适合本科学生和研究生，也对博士生和关注光子器件建模和设计的研究者有诸多益处。

作者简介

　　斯瓦沃米尔 苏耶茨基（Slawomir Sujecki）于1993年毕业于波兰华沙科技大学电子信息技术学院，在光子器件建模和设计方向，于1997年和2010年分别获得华沙科技大学的哲学博士（PhD）和理学博士（DSc）学位。1998年，他受聘为波兰基尔科技大学讲师，并与1999年成为波兰华沙国立通信研究院的研究员。在2000年，苏耶茨基博士成为英国诺丁汉大学的研究助理，并于2002年受聘为该大学讲师。在2012年他被推选为诺丁汉大学副教授。苏耶茨基博士主要研究方向是激光器设计，特别是激光器二极管和光纤激光器。他参与了诸如Ultrabright、Bright.EU、Brighter.EU、FastAccess，Copernicus和MINERVA等欧洲学术组织相关研究项目，从事光子器件建模和设计领域的研究。

　　苏耶茨基博士曾荣获德国学术交流学会、英国议会、英国皇家学会和沃尔森基金会的嘉奖。他同时还是IEEE的高级会员（senior member）、OSA终身会员以及NUSOD（光电器件数值仿真）学会的项目委员会成员。

目录

原书前言
作者简介
第1章 引论
1.1光学模型
1.2激发介质模型
1.3热扩散和应力应变模型
1.4光子学器件模型
参考文献

第2章 均匀介质中的光传播
2.1傅里叶分析法
2.2光束反射和折射
2.3近轴和大角度近似
2.4薄光学元件内的传播
参考文献

第3章 光波导
3.1 光波导理论简介
3.2 平面光波导
3.2.1 平面光波导中的导引
3.2.2平面光波导实例
3.2.3 平板光波导
3.2.4有效折射率法
3.2.5平面光波导的传播常数计算
3.2.6极化、标量化和有效折射率的比较
3.3光纤
3.3.1光纤中的光导引
3.3.2光纤实例
3.3.3阶梯折射率圆光纤
3.3.4“穷人法”建模MOF
3.3.5 MOF的传播常数计算
参考文献

第4章 光束传播法
4.1引言
4.2BPM算法
4.2.1分步算子BPM
4.2.2本征模展开BPM
4.2.3矩阵展开BPM
4.3双方向BPM
4.3.1对突变不连续的处理
4.3.2对多次反射波的处理
4.4 BPM的数值实现
4.4.1边界条件
4.4.2色散特性
4.4.3阶梯化近似
4.5 BPM应用实例
4.5.1光锥
4.5.2斜波导和弯曲波导
4.5.3 Y形分叉波导
4.6时域分析
4.6.1时域BPM
4.6.2行波法
参考文献

第5章 光子器件的热力学建模
5.1热流
5.2光子器件中的热流
5.3均匀介质中热流的有限差分分析
5.4非均匀介质中热流的有差分分析
5.5热源、边界条件和界面热阻
参考文献

第6章 半导体光子器件中的电流
6.1引言
6.2无偏置p-n结中的电势分布
6.3偏置p-n结中的电势和准费米能级分布
6.4光子半导体器件中的电流建模
参考文献

第7章 光纤放大器和激光器
7.1 光子和原子
7.2掺铒例子玻璃光纤
7.3光纤放大器建模
7.3.1 同相和相向泵浦光放大器模型
7.3.2 放大自发辐射
7.4光纤激光器建模
7.5时域模型
7.6模型参数的提取
7.6.1 镧系离子的相互作用效应
参考文献

第8章 激光器二极管建模
8.1引言
8.2 0D LD模型
8.2.1 0D CW模型
8.2.2 0D 时域模型
8.2.3 0D 光谱模型
8.2.4 1D激光器二极管模型
8.3 多维LD模型
参考文献

第9章 光纤中的光脉冲传播
9.1引言
9.2光纤中的光脉冲传播
9.3分步傅里叶法
参考文献

前言/序言

　　原书前言　　《光通信系统中的光子学建模与设计》着重介绍如何使用工程或应用物理学，对光子器件进行建模和设计。本书基础教学和研究并重，其内容既适合本科学生和研究生，也对博士生和关注光子器件建模和设计的研究者有诸多益处。　　作者试图避免使用艰深的数学和量子力学语言，以使更多的读者可以明了本书的内容。不仅如此，本书包含了众多实践性内容，它们基于一系列相对简单的实例，并通过MATLAB环境进行软件仿真。　　本书由如下几个方面构成：首先，第二章到第四章为绝缘介质中的光传播分析。随后，第五章和第六章会针对热扩散和载流子输运进行讨论。在第七章和第八章中，我们会根据第二章到第六章研究的理论，对光纤和半导体激光器进行建模。最后，在第九章中，我们会对光纤中的光短脉冲传播进行讨论。　　很大程度上，本书是自成体系的。不过，对光子学有一般程度的认知，对光纤以及半导体激光器工作原理有足够的了解，可以帮助读者更好理解本书内容。在涉及基础问题的相关章节，我们在引言部分推荐了部分文献，以帮助读者进行预习。

光通信系统中的光子学建模与设计 前言 在信息时代飞速发展的浪潮中，光通信系统以其庞大的带宽、卓越的传输速率和低损耗的特性，已成为现代通信网络不可或缺的基石。从全球互联网的骨干网到连接我们家庭的最后一公里，光纤通信无处不在，支撑着我们日益增长的数据需求。而这一切的实现，离不开背后精妙的光子学器件和高效的系统设计。本书旨在深入探讨光通信系统中至关重要的光子学建模与设计理论及实践，为相关领域的科研人员、工程师和学生提供一套系统、全面的知识框架。 我们生活在一个数据爆炸的时代，每一次在线交流、每一次高清视频流、每一次云端存储，都依赖于光通信系统的强大能力。然而，随着通信需求的不断攀升，现有光通信系统的性能瓶颈日益显现。提高传输速率、扩大通信容量、降低功耗、增强系统的稳定性和可靠性，已成为摆在我们面前的严峻挑战。解决这些问题，核心在于对构成光通信系统的各种光子学器件进行深入的理解和精细的设计。 本书正是基于这一需求而诞生的。我们关注的不仅仅是光信号如何在光纤中传输，更聚焦于那些在信号产生、调制、传输、接收和处理过程中发挥关键作用的光子学器件。这些器件，如激光器、调制器、探测器、光放大器、光开关等，是光通信系统的“心脏”和“大脑”。它们的性能直接决定了整个系统的吞吐量、效率和成本。因此，准确的建模和创新的设计是推动光通信技术向前发展的驱动力。 第一章：光通信系统概述与建模基础 本章将首先勾勒出现代光通信系统的整体蓝图，从宏观上介绍其基本构成、工作原理以及在信息社会中的核心地位。我们将探讨不同类型的光通信网络，例如点对点链路、无源光网络（PON）、密集波分复用（DWDM）系统等，并分析它们各自的特点和应用场景。在此基础上，我们将引出光子学建模的重要性。 建模，是理解和优化复杂物理系统的关键工具。在光通信领域，精确的光子学模型能够帮助我们预测器件的行为，评估系统性能，并指导设计优化，从而减少昂贵的实验试错成本。本章将详细介绍进行光子学建模所需的基本概念和数学工具。这包括： 电磁波理论基础： 回顾麦克斯韦方程组及其在光学领域的应用，理解光的波动性和偏振特性。 半导体物理基础： 深入理解光子学器件为何大多基于半导体材料，掌握载流子动力学、能带理论、pn结特性等关键概念，这是理解激光器、探测器等器件工作原理的基础。 光学传播理论： 介绍光在介质中的传播规律，包括折射、反射、衍射、干涉等现象，以及它们在光波导等结构中的表现。 数值计算方法： 介绍在光子学建模中常用的数值计算方法，例如有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）、束传播法（BPM）等。这些方法能够帮助我们模拟复杂结构中的光场分布和传播特性。我们将探讨这些方法的原理、适用范围以及它们在不同类型器件建模中的应用。 通过对这些基础知识的梳理，本章旨在为读者建立一个坚实的建模理论基础，为后续章节对具体光子学器件的深入分析打下坚实的基础。 第二章：核心光子学器件建模与设计：激光器 激光器是光通信系统的“光源”，其性能的优劣直接影响到整个系统的信号质量和传输效率。本章将专注于激光器的光子学建模与设计。 激光器基本原理： 从受激辐射、粒子数反转、光腔谐振等基本概念出发，深入剖析激光器产生激光的工作机制。 半导体激光器（SL）模型： 重点介绍半导体激光器的主要类型，如直结带激光器（DBR）、分布反馈激光器（DFB）、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等。我们将探讨它们的光腔结构、增益介质、工作电流与输出功率的关系、波长选择机制等。 增益模型： 详细介绍用于描述半导体材料增益特性的模型，包括载流子依赖增益、温度依赖增益等，以及这些模型如何影响激光器的输出特性。 腔模型： 分析不同类型激光器的光腔结构，例如Fabry-Perot腔、DFB光栅等，以及它们对激光器模式、线宽和稳定性等参数的影响。 噪声模型： 激光器输出并非理想的单色光，存在各种噪声，如强度噪声、相位噪声等。本章将介绍这些噪声的来源及其对通信系统的影响，并探讨如何通过模型来预测和减小这些噪声。 设计考量： 结合模型，本章将讨论如何根据具体应用需求设计高性能的激光器，例如如何实现窄线宽、高功率、可调谐输出的激光器。我们将分析材料选择、掺杂浓度、腔长、光栅耦合等设计参数对激光器性能的影响。 第三章：核心光子学器件建模与设计：调制器 调制器是“将信息编码到光信号上”的关键器件，其调制效率、带宽、插入损耗以及驱动电压直接决定了通信系统的传输速率和信号完整性。本章将聚焦于调制器的光子学建模与设计。 调制原理： 介绍不同调制方式的原理，如强度调制、相位调制、频率调制等，以及它们在光通信中的应用。 电光调制器模型： 重点介绍基于电光效应的调制器，如Mach-Zehnder调制器（MZM）、相位调制器（PM）等。我们将深入分析其结构、工作电压、带宽、插入损耗、消光比等关键参数与材料特性、电极设计、光波导结构之间的关系。 热光调制器模型： 介绍热光效应在调制中的应用，分析其工作原理、响应速度和驱动功耗。 声光调制器模型： 探讨声光效应在某些特定应用中的调制作用。 集成光子学调制器： 随着集成光子技术的发展，片上集成调制器成为研究热点。本章将介绍硅光子、铌酸锂薄膜等平台的调制器设计，重点关注其小型化、低功耗和高集成度方面的挑战与机遇。 设计考量： 结合模型，本章将讨论如何设计满足高速率、低功耗、低噪声要求的调制器。我们将分析电极结构、驱动电路、光波导设计、材料选择等因素对调制器性能的影响，以及如何实现高效率和宽带调制。 第四章：核心光子学器件建模与设计：探测器 探测器是“将光信号还原为电信号”的关键环节，其灵敏度、响应速度、量子效率、噪声系数等参数直接影响到接收端的信噪比和数据恢复的准确性。本章将深入探讨探测器的光子学建模与设计。 光电转换原理： 阐述光子如何与半导体材料相互作用，产生光电流。 PIN光电二极管模型： 详细分析PIN光电二极管的工作原理，包括光吸收区、耗尽区、漂移区等结构对响应速度、量子效率和暗电流的影响。 雪崩光电二极管（APD）模型： 介绍APD的倍增机制，分析载流子倍增效应如何提高探测器的灵敏度，以及倍增过程带来的噪声（如倍增噪声）。 其他类型探测器： 简要介绍光电倍增管（PMT）、量子点探测器等其他类型探测器的基本原理和应用。 噪声模型： 详细分析探测器中存在的各种噪声源，如散粒噪声、热噪声、暗电流噪声、倍增噪声等，并建立相应的噪声模型，用于评估探测器的性能极限。 设计考量： 结合模型，本章将讨论如何设计高性能的探测器，例如如何实现高量子效率、低噪声、宽带响应的探测器。我们将分析材料选择、掺杂浓度、器件结构、工作电压等设计参数对探测器性能的影响，以及如何针对不同波长和速率要求进行优化。 第五章：光放大器与光开关的建模与设计 除了光源、调制器和探测器，光放大器和光开关也是构成现代光通信网络的重要组成部分。本章将分别对其进行建模与设计分析。 光放大器： 掺铒光纤放大器（EDFA）模型： 详细分析EDFA的工作原理，包括掺铒光纤的能级结构、能量传递过程、泵浦光与信号光的相互作用。我们将探讨EDFA的增益特性、噪声特性（如ASE噪声）、饱和效应以及如何通过泵浦功率、光纤长度、掺铒浓度等参数进行优化。 半导体光放大器（SOA）模型： 介绍SOA的工作原理，分析其增益特性、噪声特性、交叉增益调制（XGM）和交叉相位调制（XPM）效应，以及如何通过注入电流、光腔结构等参数进行设计。 光开关： 基于MEMS的光开关模型： 介绍微机电系统（MEMS）技术在光开关中的应用，分析其驱动机制、切换速度、插入损耗和串扰。 基于电光效应的光开关模型： 分析电光效应在构建高速率、低功耗光开关中的作用，例如定向耦合器型开关。 其他类型光开关： 简要介绍热光开关、干涉仪型开关等。 设计考量： 结合模型，本章将讨论如何设计高性能的光放大器和光开关，例如如何实现高增益、低噪声、宽带的光放大器，以及如何构建低损耗、高可靠性、快速切换的光开关。我们将分析设计参数对器件性能的影响，并探讨如何在各种光网络拓扑中有效利用这些器件。 第六章：集成光子学在光通信系统中的应用与建模 集成光子学技术是将多种光子学器件集成在同一芯片上，是实现光通信系统小型化、低功耗、高集成度的关键。本章将重点探讨集成光子学在光通信系统中的应用，并关注其建模的特殊性。 集成光子学平台： 介绍主流的集成光子学平台，如硅光子（SiPh）、铌酸锂（LiNbO3）、氮化硅（SiN）等，分析它们各自的材料特性、工艺优势和器件性能。 片上光波导设计与建模： 深入研究片上光波导的传播特性，包括模式分析、色散、损耗等，以及如何通过波导设计优化光的传输。 集成光子器件的设计： 讨论如何将本章前面介绍的激光器、调制器、探测器、光放大器、光开关等器件进行片上集成，并分析集成过程中可能遇到的挑战，如器件间的耦合、信号损耗、热效应等。 系统级建模： 探讨如何对集成的光子系统进行建模，包括器件间的相互影响、信号的串扰、功耗的优化等。 应用案例： 介绍集成光子技术在高速光模块、相干光通信、光互连等领域的成功应用，并分析其带来的性能提升和成本优势。 第七章：系统级建模与性能优化 本章将从系统层面出发，将前面各章节介绍的光子学器件模型整合起来，构建光通信系统的整体模型，并探讨如何利用这些模型进行系统性能的优化。 系统级建模方法： 介绍如何采用不同的建模方法来描述整个光通信系统，例如基于参数模型的系统仿真，以及基于物理模型进行联合仿真。 光信号在系统中的传播与演化： 分析光信号在光纤、连接器、器件接口等环节中的损耗和失真，以及如何量化这些影响。 系统性能指标： 定义关键的光通信系统性能指标，如误码率（BER）、信噪比（SNR）、传输容量、最大传输距离、功耗等。 参数优化与容忍度分析： 利用系统模型，探讨如何通过优化单个器件的参数，或者调整系统架构，来提高整体系统性能。同时，进行容忍度分析，研究系统对各种参数偏差的敏感性。 先进系统设计理念： 介绍一些先进的光通信系统设计理念，例如基于软件定义网络（SDN）的光网络管理，以及如何通过智能算法优化系统资源分配。 第八章：未来发展趋势与挑战 本章将展望光通信领域未来的发展方向，并指出当前面临的挑战。 超高速通信： 探讨如何突破现有速率瓶颈，实现Tb/s甚至Pb/s级别的单通道传输速率，例如利用更宽的频谱、更高效的调制格式、更先进的信号处理技术。 全光处理： 展望未来光信号可以在不进行光电转换的情况下直接进行处理，例如全光计算、全光存储等，以及它们对光通信系统的影响。 量子通信： 介绍量子通信的原理及其在安全通信方面的潜力，以及与经典光通信系统的融合。 人工智能在光通信中的应用： 探讨人工智能技术如何用于优化光网络的设计、管理和故障诊断，提高系统的智能化水平。 新材料与新器件： 展望新型光子学材料（如二维材料、超材料）和新型光子学器件（如光子晶体器件、光子集成芯片）的出现，以及它们将为光通信带来的革命性变化。 可持续发展与能效： 关注光通信系统在能耗方面的挑战，探讨如何设计更低功耗、更环保的光通信设备。 结语 本书力求从基础理论到前沿技术，全面而深入地阐述光通信系统中的光子学建模与设计。我们相信，通过对本书内容的学习与实践，读者将能够更好地理解光通信系统的复杂性，掌握先进的光子学器件设计工具，并为推动下一代光通信技术的创新与发展贡献力量。光通信的未来充满无限可能，而精准的建模与精妙的设计，将是解锁这些可能性的钥匙。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我一种感觉，它不仅仅是停留在理论层面，而是充满了实践导向的设计理念。我猜测书中会详细介绍如何根据具体的应用场景，例如长距离传输、城域网、数据中心互连等，来选择合适的光通信器件和系统架构。我特别对书中关于光模块设计的内容感到好奇，比如如何将光器件、电子器件以及其他辅助电路集成到一个紧凑的封装中，以及如何保证光模块的稳定性和可靠性。书中或许还会深入探讨光接口的设计，例如各种连接器的类型、插损、回波损耗以及如何通过优化设计来满足高速率、高密度的需求。对于想要优化现有光通信系统性能的读者，书中关于链路预算分析的详细讲解，包括如何计算信号衰减、噪声影响以及如何选择合适的功率裕量，无疑是极其有用的。总的来说，这本书给我的感觉是，它能够帮助读者将理论知识转化为实际的设计方案，解决光通信系统在实际部署中遇到的各种挑战。

评分☆☆☆☆☆

一本让人耳目一新的著作，它以一种前所未有的视角深入剖析了我们日常生活中不可或缺的光通信技术。从我个人有限的理解来看，这本书似乎在探讨如何将物理世界中的光线行为，通过精密的数学模型和计算机模拟，转化为可以在设计中精确预测和控制的工具。我特别对书中关于光波导损耗的章节产生了浓厚的兴趣，作者似乎花了大量笔墨去解释不同材料、不同结构对光信号传播的影响，以及如何通过优化设计来最大程度地减少能量损失。这种细致入微的分析，让我深刻体会到“细节决定成败”在光通信领域的体现。同时，我还在思考书中是否会涉及一些关于新型光纤材料的介绍，比如掺杂了特殊元素的特种光纤，它们在特定波长范围内的传输特性和优势，以及如何通过这些新型材料来突破现有光通信系统的瓶颈。此外，对于那些追求极致传输速率的用户而言，书中关于多模光纤的模式分离和干扰问题，以及如何通过先进的信号处理技术来补偿这些效应的讨论，无疑是极具价值的。总而言之，这本书给我一种感觉，它不仅仅是关于光通信的理论介绍，更像是一本指导实践的设计手册，能够帮助工程师们在复杂的光学世界中找到清晰的设计路径。

评分☆☆☆☆☆

初读此书，我首先被其宏大的主题所吸引，它似乎旨在揭示光通信系统背后那令人着迷的“魔法”——如何将肉眼不可见的微小光子，转化为信息传输的强大载体。我猜测书中一定包含了关于光子器件的深入探讨，例如激光器、光探测器、调制器等关键组成部分的设计原理和性能优化。我特别期待书中能有关于如何设计高效、低功耗的光子芯片的内容，毕竟未来的通信网络将越来越依赖于集成化的光子解决方案。我还想象着书中可能会涉及一些关于光放大器的理论，比如掺铒光纤放大器（EDFA）的增益机制、噪声特性以及如何通过优化泵浦光功率和掺铒光纤长度来提升放大器的性能。对于那些对光学非线性效应感兴趣的读者，书中关于光纤中的非线性散射、四波混频等现象的分析，以及如何通过选择合适的传输光纤和工作参数来抑制这些不利效应的讨论，也将会是宝贵的财富。这本书仿佛为我打开了一扇通往光通信精密设计世界的大门，让我看到了理论与实践结合的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

一本深入探讨光通信核心奥秘的著作，它似乎在引领读者去理解那些肉眼看不见的“光子”是如何被精心雕琢、驾驭，最终承担起现代社会信息高速公路的重任。我猜测书中一定会包含对各种先进光通信技术原理的详尽阐述，比如相干光通信、光正交频分复用（OFDM）等，以及它们在提升系统容量和频谱效率方面的作用。我尤其对书中关于如何设计和优化相干光接收器的部分充满期待，因为它涉及到如何提取复杂的相位和偏振信息，以及如何通过数字信号处理技术来补偿各种损伤。我还想象着书中可能还会涉及一些关于光交换技术的内容，例如微机电系统（MEMS）光开关、硅光子开关等，以及它们在构建灵活、可重构光网络中的应用。对于关注未来通信发展趋势的读者，书中关于下一代光通信系统的展望，例如空分复用（SDM）、光子集成电路等前沿技术的研究方向，也将会是极具启发性的。这本书给我的感觉是，它不仅仅是关于当前技术，更是对未来通信世界的一次深刻洞察。

评分☆☆☆☆☆

我尝试理解书中可能涉及到的建模方法，感觉它应该是一本非常注重数学理论和仿真技术的书籍。书中或许会详细介绍如何运用麦克斯韦方程组、波动方程等基本物理原理，构建出描述光在介质中传播的数学模型。我猜想，书中可能还会深入讲解有限元方法、时域有限差分（FDTD）等数值模拟技术在光子器件设计中的应用，以及如何通过这些方法来预测器件的性能，例如传输损耗、反射系数、模式耦合等。对于想要深入理解光通信系统性能极限的读者，书中关于量子噪声、散粒噪声等基本噪声源的分析，以及如何通过设计来降低这些噪声对信号质量的影响，也会是至关重要的。我还在思考，书中是否会涉及一些关于多波长复用技术（如WDM）的设计考量，包括如何优化通道间隔、滤波器的选择以及如何处理通道间的串扰问题。这本书给我一种感觉，它不仅仅停留在概念层面，而是提供了一套严谨的分析工具和设计流程，帮助读者从微观的物理规律出发，构建出可靠的光通信系统。