光电系统模拟与仿真指导书

实验一MATLAB基本操作实验目的1．熟悉MATLAB实验环境，练习MATLAB命令、m文件、Simulink的基本操作。2．利用MATLAB编写程序进行矩阵运算、图形绘制、数据处理等。实验原理 MATLAB环境是一种为数值计算、数据分析和图形显示服务的交互式的环境。MATLAB有3种窗口，即：命令窗口（TheCommandWindow）、m-文件编辑窗口（TheEditWindow）和图形窗口（TheFigureWindow），而Simulink另外又有Simulink模型编辑窗口。 1．命令窗口（TheCommandWindow） 当MATLAB启动后，出现的最大的窗口就是命令窗口。用户可以在提示符“>>”后面输入交互的命令，这些命令就立即被执行。在MATLAB中，一连串命令可以放置在一个文件中，不必把它们直接在命令窗口内输入。在命令窗口中输入该文件名，这一连串命令就被执行了。因为这样的文件都是以“.m”为后缀，所以称为m-文件。 2．m-文件编辑窗口（TheEditWindow） 我们可以用m-文件编辑窗口来产生新的m-文件，或者编辑已经存在的m-文件。在MATLAB主界面上选择菜单“File/New/M-file”就打开了一个新的m-文件编辑窗口；选择菜单“File/Open”就可以打开一个已经存在的m-文件，并且可以在这个窗口中编辑这个m-文件。 3．图形窗口（TheFigureWindow） 图形窗口用来显示MATLAB程序产生的图形。图形可以是2维的、3维的数据图形，也可以是照片等。实验内容1用MATLAB可以识别的格式输入下面两个矩阵再求出它们的乘积矩阵C，并将C矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D矩阵。赋值完成后，调用相应的命令查看MATLAB工作空间的占用情况。2用MATLAB语言实现下面的分段函数3分别用for和while循环结构编写程序，求出并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。4编程实现：一个三位整数各位数字的立方和等于该数本身则称该数为水仙花数，输出全部水仙花数。5选择合适的步距绘制出下面的图形（1），其中（2），其中6求解下面的线性代数方程，并验证得出的解真正满足原方程。(a)，(b)7编程计算f(x)=1/(sinx+cosx+x)，在区间[0,10]积分。求函数f(x)在[a,b]上的定积分，其几何意义就是求曲线y=f(x)与直线x=a，x=b，y=0所围成的曲边梯形的面积。为了求得曲边梯形面积，先将积分区间[a,b]分成n等分，每个区间的宽度为h=(b-a)/n，对应地将曲边梯形分成n等分，每个小部分即是一个小曲边梯形。近似求出每个小曲边梯形面积，然后将n个小曲边梯形的面积加起来，就得到总面积，即定积分的近似值。近似地求每个小曲边梯形的面积，常用的方法有：矩形法、梯形法以及辛普生法等。8某校基金会有一笔数额为M元的基金，该基金在年底将一次性到位，目前要做计划将其存入银行，当前银行存款及各期的利率见下表，校基金会计划在n年内每年用部分本息奖励优秀师生，要求每年的奖金金额大致相同，且在n年末仍保留原基金数额。校基金会希望获得最佳的基金使用计划，以提高每年的奖金额。请你帮助校基金会在上述情况年下设计基金存款使用最佳方案，并对M=5000万元，n=10年给出具体结果。

银行存款税后年利率（％）

活期

0.792

半年期

1.664

一年期

1.800

二年期

1.944

三年期

2.160

五年期

2.304实验二Zemax仿真设计实验目的1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优。实验原理启用Zemax，如何键入wavelength，lensdata，产生rayfan，OPD，spotdiagrams，定义thicknesssolve以及variables，执行简单光学设计最佳化，即分为以下两个部分。1、lensdataeditor首先叫出ZEMAX的lensdataeditor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primarywavelength上点在0.486的位置，primarywavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxialoptics，即first-orderoptics)下的几个主要参数，如focallength，magnification，pupilsizes等。再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effectivefocallengthF跟paraxialentrancepupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从systemmenu上选generaldata，在apervalue上键入25，而aperturetype被default为EntrancePupildiameter。也就是说，entrancepupil的大小就是aperture的大小。回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperturestop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagineplane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是在STO栏上，选取insertcifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又孔径的大小为25mm，则第一面镜合理的thickness为4，也是直接键入。再来决定第1及第2面镜的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。而再令第2面镜的thickness为100。现在你的输入数据已大致完毕。你怎么检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，其中的RayAberration，将会把transverse的rayaberration对pupilcoordinate作图。其中rayaberration是以chiefray为参考点计算的。纵轴为EY的，即是在Y方个的aberration，称作tangential或者YZplane。同理X方向的aberration称为XZplane或sagittal。Zemax主要的目的，就是帮我们矫正defocus，用solves就可以解决这些问题。solves是一些函数，它的输入变量为curvatures，thickness，glasses，semi-diameters，conics，以及相关的parameters等。parameters是用来描述或补足输入变量solves的型式。如curvature的型式有chiefrayangle，pickup，Marginalraynormal，chiefraynormal，Aplanatic，Elementpower，concentricwithsurface等。而描述chiefrayanglesolves的parameter即为angle，而补足pickupsolves的parameters为surface，scalefactor两项，所以parameters本身不是solves，要调整的变量才是solves的对象。2、数据优化在surface2栏中的thickness项上点两下，把solvetype从fixed变成MarginalRayheight，然后OK。这项调整会把在透镜边缘的光在光轴上的height为0，即paraxialfocus。再次updaterayfan，你可发现defocus已经不见了。但这是最佳化设计吗？再次调整surface1的radius项从fixed变成variable，依次把surface2的radius，及放弃原先的surface2中thickness的MarginalRayheight也变成variable。再来我们定义一个Meritfunction，什么是Meritfunction呢？Meritfunction就是把你理想的光学要求规格定为一个标准(如此例中focallength为100mm)，然后Zemax会连续调整你输入solves中的各种variable,把计算得的值与你订的标准相减就是Meritfunction值，所以Meritfunction值愈小愈好，挑出最小值时即完成variable设定，理想的Meritfunction值为0。现在谈谈如何设Meritfunction，Zemax已经default一个内建的meritfunction，它的功能是把RMSwavefronterror减至最低，所以先在editors中选Meritfunction，进入其中的Tools，再按DefaultMeritFunction键，再按ok，即我们选用defaultMeritfunction，这还不够，我们还要规定给meritfunction一个focallength为100的限制，因为若不给此限制则Zemax会发现focallength为时，wavefrontaberration的效果会最好，当然就违反我们的设计要求。所以在Meritfunctioneditor第1列中往后插入一列，即显示出第2列，代表surface2，在此列中的type项上键入EFFL(effectivefocallength)，同列中的target项键入100，weight项中定为1。跳出Meritfunctioneditor，在Tools中选optimization项，按Automatic键，完毕后跳出来，此时你已完成设计最佳化。重新检验rayfan，这时maximumaberration已降至200microns。其它检验opticalperformance还可以用SpotDiagrams及OPD等。从Analysis中选spotdiagram中的standard，则该spot大约为400microns上下左右交错，与Airydiffractiondisk比较而言，后者大约为6microns交错。而OPD为opticalpathdifference(跟chiefray作比较)，亦从Analysis中挑选，从Fans中的OpticalPath，发现其中的aberration大约为20waves，大都focus，并且spherical，spherochromatism及axialcolor。Zemax另外提供一个决定firstorderchromaticabberation的工具，即thechromaticfocalshiftplot，这是把各种光波的backfocallength跟在paraxial上用primarywavelength计算出firstorder的focallength之间的差异对输出光波的wavelength作图，图中可指出各光波在paraxialfocus上的variation。从Analysis中Miscellaneous项的ChromaticFocalShift即可叫出。实验内容1、显微物镜系统设计在图1显示一个10X显微物镜。其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式）。NA：0.25；EFL=0.591。表1提供了这个设计的数据。第一镜面到像距为0.999。第一镜面到物距为6.076。最后一面供作保护面之用。畸变=0.26﹪。图110倍显微物镜系统表110倍显微物镜参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。（2）改变某一LensData，观察像质评价和分析，然后设置该LensData为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。2、望远镜头系统设计在图2是一个望远镜头具有20°视场以及EFL=5。这个镜组的资料给定在表2。图2望远镜头系统表2望远镜头系统参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。（2）改变某一LensData，观察像质评价和分析，然后设置该LensData为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。实验三Optisystem仿真设计实验目的1．熟悉Optisystem实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光纤通信系统。2．利用Optisystem的优化功能仿真计算光纤通信系统的各项性能参数，并进行分析。实验原理 OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。OptiSystem允许对物理层任何类型的虚拟光连接和宽带光网络的分析，从远距离通讯到MANS和LANS都适用。它的广泛应用包括：物理层的器件级到系统级的光通讯系统设计；CATV或者TDM∕WDM网络设计；SONET∕SDH的环形设计；传输器、信道、放大器和接收器的设计；色散图设计；不同接受模式下误码率（BER）和系统代价（penalty）的评估；放大的系统BER和连接预算计算。Optisystem环境是一种为利用元件库组建光纤通信系统，利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳的光纤通信系统。Optisystem通过3部分来实现光纤通信系统仿真，即：器件库、光学方案图编辑器、图形演示。1、器件库(1)发射器发射器件库包括了所有与光信号产生和编码相关的器件，例如半导体激光器、调制器、编码器和比特序列发生器等。半导体激光器由于它在发射器中的重要角色而成为了最重要的发射器部件。使用OptiSystem，用户可以输入测量过的数据来评估速率方程所需的那些参数。当使用外调制的CW激光器时，对于啁啾和衰减来说，MQW马赫－曾德尔调制器和电吸收调制器的模型是基于测量的，并且能使用户优化偏置和调制电压，从而得到接收器灵敏度的最小退化。对于随即数字发生器，编码器和比特序列产生器允许用户在不同的调制模式和算法之间进行选择(2)光纤光纤是主要的传输通道。对于任意的WDM信号，OptiSystem采用一种非线性色散传播的单模光纤模型，用以说明信号的振幅和相位受影响的现象和效果。在很大的条件范围内，这个模型都可以真实的预测波形的失真、眼图的退化和信号的其它要素。(3)接收器用户可以依据光探测器输入端的混合信号来选择不同的模型。如果噪声用概率密度函数（PSD）来描述，PIN或者APD将采用基于高斯近似的准分析模型来计算噪声的作用。如果噪声是与信号混合在一起，那么使用适当的PFD来描述光电子统计时，这个模型可以增加数字化噪声。电滤波器件的内部库包括实际的、频率相关的参数。在这个库中，用户可以考虑不同滤波器形式来设计接收器。(4)网络器件复用器∕解复用器，上路∕下路，阵列波导光栅，静态和动态开关，循环∕环形元件，交叉连接，·波长转换。(5)无源器件·滤波器，调制器，耦合器，分波器，合波器，环形器，隔离器，偏振器件，光纤光栅。(6)光放大器EDFA和拉曼放大器已经成为光纤网络所