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斯瓦沃米尔·苏耶茨基 著

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• 光学
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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111532200

商品编码：29371449481

包装：平装

出版时间：2016-05-01

图书基本信息
图书名称	光通信系统中的光子学建模与设计
作者	斯瓦沃米尔·苏耶茨基
定价	99.00元
出版社	机械工业出版社
ISBN	9787111532200
出版日期	2016-05-01
字数
页码
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.4Kg

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

编辑推荐

《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

文摘

序言

《光通信系统中的光子学建模与设计》—— 探索光子世界的理论基石与工程实践 在这个信息爆炸的时代，光通信以其超乎想象的带宽和极低的损耗，担当着现代社会信息传递的动脉。而支撑起这一强大网络的，是其背后复杂而精妙的光子学原理以及与之相匹配的系统设计。本书《光通信系统中的光子学建模与设计》正是以此为核心，深入浅出地剖析光通信系统中所涉及的关键光子学现象，并将其转化为可操作的建模与设计方法，旨在为读者提供一个全面而深入的理解框架。 本书绝非一本浮于表面的技术概览，而是力求将光子学的理论精髓与工程实践紧密结合。我们深知，理解一个复杂系统，必须先掌握其构成单元的行为规律。因此，全书的叙事逻辑围绕着“从微观到宏观”的层层递进展开。首先，我们将目光聚焦于构成光通信系统的最基本单元——光子。我们将详细探讨光的波动与粒子二象性，量子力学在描述光子行为中的重要作用，以及光子在不同介质中的传播特性。这里，我们不会止步于课本上的基本概念，而是会深入到光子的统计学行为，例如泊松分布、相干态等，这些对于理解光信号的噪声特性以及相干光通信技术至关重要。 在掌握了基本的光子学原理之后，本书将自然而然地过渡到构成光通信器件的光子学建模。半导体材料的光学性质是构建激光器、调制器、光电探测器等核心器件的基础。我们将详细介绍能带理论、光学跃迁、载流子动力学等半导体物理的基本概念，并在此基础上，阐述如何利用这些原理来建立描述这些器件的光学和电学行为的模型。例如，对于激光器，我们将深入探讨其增益机制、谐振腔效应、阈值行为以及线宽等关键参数的模型构建；对于光调制器，我们将分析不同调制原理（如电光效应、热光效应）下的光学响应，并给出相应的数学模型。这里的建模不仅仅是简单的理论推导，更会涵盖数值模拟方法，例如有限元法、有限差分时域法等，这些现代计算工具是如何被用来预测和优化器件性能的。 接着，本书将视角从单个器件扩展到光通信系统中的关键功能模块。光纤作为信息传输的物理载体，其光学特性是不可忽视的。我们将详细分析不同类型光纤（如单模光纤、多模光纤）的传播模式、色散效应（如材料色散、波导色散）、非线性效应（如克尔效应、拉曼散射）及其对信号质量的影响。针对这些效应，我们将推导出相应的传播方程，并探讨如何通过建模来预测和补偿这些损耗。此外，光放大器是长距离光通信系统中不可或缺的组成部分。本书将深入研究掺铒光纤放大器（EDFA）和半导体光放大器（SOA）的工作原理，分析其增益、噪声系数、饱和特性等，并建立相应的模型，为系统设计提供依据。 更进一步，本书将聚焦于光通信系统的整体架构与关键技术。我们将在光子学建模的基础上，探讨数字信号处理（DSP）在现代高速光通信系统中的核心作用。这将包括对调制格式（如QPSK、16-QAM、64-QAM）的数学建模，理解其频谱效率和对信噪比的要求。我们将详细讲解信号的编码、解码、星座图分析，以及各种数字信号处理算法（如均衡、去色散、载波相位恢复）是如何通过精确的数学模型来实现的。在这里，建模的目标是能够预测不同调制格式和处理算法在不同信道条件下的系统性能，并指导设计出更高效率、更鲁棒的系统。 本书的另一大重点在于对光通信系统中的非线性效应进行深入的建模与分析。随着传输速率的不断提升和传输距离的增加，光纤中的非线性效应变得愈发显著，成为限制系统性能的主要瓶颈之一。我们将系统性地介绍克尔效应、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）等效应的物理机理，并推导出相应的非线性薛定谔方程（NLSE）及其各种近似形式。在此基础上，我们将讲解如何利用数值仿真技术（如分裂步傅立叶方法）来求解这些非线性方程，从而精确预测非线性效应对信号波形、频谱以及系统整体性能的影响。同时，本书还将探讨多种抑制和补偿非线性效应的设计策略，例如通过优化光纤参数、采用先进的数字信号处理算法（如非线性均衡）等。 此外，对于相干光通信系统，本书将进行特别详尽的阐述。我们将从相干检测的基本原理出发，深入分析相干接收器中的本地振荡器、混频器、放大器等关键组件的光学和电学特性。重点将放在如何精确建模相干接收过程中的信号叠加、相位噪声、幅度噪声以及其他干扰因素，并阐述先进的数字信号处理算法（如数字下变频、数字相干检测、数字均衡、载波相位恢复）是如何通过对这些模型的理解来实现的。这将包含对不同调制格式（如BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM）的详细建模，分析它们在相干接收下的性能表现，以及如何利用相干通信的优势来提高频谱效率和信噪比。 本书的另一大特色在于其对先进光通信技术的前瞻性探讨。例如，我们将对下一代光通信网络中可能采用的新型调制格式、编码技术（如极化复用、空分复用、先进前向纠错码）进行介绍，并尝试建立相应的光子学模型。对于光网络中的流量工程、网络管理和资源分配等问题，本书也将从光子学建模的角度出发，探讨如何利用模型来优化网络性能，例如通过对光分组交换、动态波长分配等技术的建模与仿真，来指导更高效的网络设计。 本书强调的是，光子学建模并非仅限于理论推导，更重要的是其实际应用价值。我们将在书中展示如何利用所建立的模型来指导光通信系统的设计和优化。例如，如何根据目标传输速率和距离，选择合适的光纤类型和放大器；如何优化激光器和调制器的设计参数，以达到最佳的性能指标；如何通过精确的数字信号处理算法设计，来克服信道中的各种损伤，从而实现更高的数据传输速率。本书将提供实际的案例分析，展示如何将光子学建模转化为切实可行的工程解决方案。 本书的另一个重要维度是对光子集成和光子芯片技术的深入研究。我们将探讨如何将多种光子功能单元集成到单一芯片上，以及这对光通信系统设计带来的机遇与挑战。这将涉及对微纳光子器件（如波导、耦合器、滤波器、调制器、探测器）的几何结构、材料特性以及光场分布的精确建模，并分析这些器件的集成密度、功耗、可靠性等关键指标。通过对这些微纳尺度光子器件的光学行为进行精确建模，本书旨在为未来更紧凑、更高效、更低功耗的光通信系统提供理论指导。 最后，本书还将涉及光通信系统中的信号完整性分析。在高速数据传输过程中，电信号和光信号的相互转换、传输以及集成都会引入噪声和失真。我们将从电磁场理论和电路理论的角度，分析这些影响因素，并建立相应的模型，以预测和评估信号质量。这将包括对高频电路的寄生效应、信号串扰、反射以及光电器件的瞬态响应等进行建模。通过对信号完整性的深入理解，我们可以更有效地设计和布局光通信系统，从而最大限度地减少信号损耗和失真，保证高速、可靠的数据传输。 总而言之，《光通信系统中的光子学建模与设计》是一本致力于为读者提供光通信系统全面、深入理解的著作。它不仅仅停留在概念的介绍，而是通过严谨的数学建模和详实的理论推导，将抽象的光子学原理转化为可操作的设计工具，从而帮助读者掌握现代光通信系统的核心技术，并为未来的技术发展奠定坚实的基础。本书的内容覆盖了从基础光子学原理到先进光通信系统设计的各个环节，力求为相关领域的科研人员、工程师以及学生提供一本不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事光纤通信网络部署规划的工程师，我们关注的重点往往是器件的“指标”和“可靠性”，而非底层物理的精细结构。因此，我对这本书能否将复杂的光子学概念“降维”到系统工程师可以理解的层面抱有很高的期望。我希望它能清晰地阐述不同类型光纤（如低损耗单模光纤、空心光纤）的色散特性如何直接影响400G/800G超长距离传输的容量极限。更进一步，如果书中能提供一个清晰的“模型选择指南”，即在什么系统复杂度要求下，应该选用哪种级别的光子学模型——是从简单的传输线模型到更复杂的非线性薛定谔方程（NLSE）求解——这将对我们进行成本效益分析至关重要。我更看重的是模型与系统性能之间的映射关系，而不是模型本身的数学美感。如果能看到关于光纤非线性补偿技术（如数字信号处理DSP与光域预失真DPD的结合）背后的光子学原理的阐述，那就更好了，因为这直接关系到我们能否在现有网络上实现容量的突破。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的“设计”环节抱有极大的热情，因为它暗示着一个从理论到实践的闭环。我个人在尝试设计一个紧凑型光频率梳发生器时，发现文献中对泵浦激光器的线宽抖动、腔长噪声如何影响梳齿的稳定性，其光子学建模往往描述得不够具体。我期望这本书能提供一种标准化的建模流程，说明如何将激光器中的量子噪声源和腔体微扰等随机过程，有效地纳入到频率梳的时域或频域响应模型中。此外，在光通信系统中，光电探测器的选择至关重要，它不仅仅是光功率的接收器，其带宽、响应速度和噪声特性都受限于内部的光子-电子转换机制。我希望书中能详尽分析如何基于PIN或APD结构，建立能指导设计人员选择最佳光电转换增益和带宽匹配的模型。这种对关键子系统光子学基础的深刻剖析，才能真正支撑起整个光通信系统的优化与创新。

评分☆☆☆☆☆

最近在跟进下一代相干光通信系统的研发工作，遇到的最大瓶颈之一是如何高效地处理高阶模的色散和偏振模色散（PMD）。我希望这本书能提供一些超越经典光纤理论的、更贴近实际系统的光子学视角。例如，对于集成光子芯片（PICs）上的高速调制器，其电光效应的建模往往需要考虑复杂的载流子动力学和光场耦合机制。我期望书中能深入探讨如何构建一个能够耦合电学、光学和热学效应的联合仿真框架。特别想看到关于硅光子学平台中无源器件（如MZI、Ring Resonator）的设计优化策略，以及如何将这些器件的损耗、串扰等非理想因素纳入到整个系统级的链路预算分析中去。如果书中能有一章专门论述如何使用优化算法（如遗传算法或粒子群优化）来迭代设计一个具有特定传输特性的光子集成电路，那无疑是极具价值的“干货”，能直接提升我们的设计效率，避免大量的试错成本。这本书的实用性远比其理论的深奥程度更吸引我。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在高校从事基础研究的教师，我对教材的深度和前沿性有着近乎苛刻的要求。目前很多光通信的教材在介绍新概念时显得滞后。我特别期待《光通信系统中的光子学建模与设计》能够涵盖当前最热门的、尚未完全成熟的领域。例如，如何对基于新型材料（如铌酸锂、III-V族半导体）的高速调制器进行精确的物理建模，以预测其在太赫兹通信带宽下的性能边界。再者，对于量子光通信领域中关键的单光子源和单光子探测器的光子学特性建模，如果能有所涉猎，则能将本书的层次从传统通信提升到未来信息技术的制高点。我非常关注“设计”部分是否包含了针对光子集成电路的自动化布局布线（Physical Layout and Routing）的设计规则和模型约束。能否提供一个案例，展示如何通过光子学模型来优化一个多通道DWDM器件的耦合效率和光谱平坦度，这才是对学术界最有价值的贡献。

评分☆☆☆☆☆

这本《光通信系统中的光子学建模与设计》听名字就让人心潮澎湃，尤其是我这个刚刚从传统电子学跨界到光电子领域的工程师。说实话，市面上很多教材动辄就陷入纯粹的数学推导，理论讲得头头是道，但一到实际工程应用就显得捉襟见肘。我特别期待这本书能在“建模”和“设计”之间找到一个完美的平衡点。我希望能看到它不仅仅是罗列麦克斯韦方程组和波动光学公式，而是真正将这些理论工具如何应用于设计出高性能的波导、调制器或者光纤放大器。比如，如何利用有限元法（FEM）或传输矩阵法（TMM）来精确模拟新型异质结激光器的腔内光场分布，并且通过这些模型参数的调整，直接指导制造工艺的优化。如果书中能提供一些关于商业仿真软件（如Lumerical FDTD或COMSOL Multiphysics）的使用范例和流程解析，那就太棒了。毕竟，在现代光电子研发中，仿真工具已成为不可或缺的“试剂盒”，理论指导下的实践操作才是王道。我对它在处理非线性效应建模方面的深度非常好奇，毕竟高速光通信越来越依赖于对克尔效应、拉曼散射等现象的精准预测和抑制。