线性光子系统数值模拟：高效时域仿真方法

"这篇文章提出了一种新颖的线性光子系统数值模拟方法，适用于精确而高效的时间域仿真。该方法基于被研究光子系统的散射参数构建基带等效状态空间模型，将光学载波频率分离并在基带进行操作，从而在不牺牲精度的情况下大大降低了建模和仿真复杂度。通过这种方法，可以分析重建光子系统端口信号的时间域仿真结果。" 本文主要探讨的是在光电子学领域的一种创新模拟技术，旨在优化线性、时间不变且无源的光子设备和电路的仿真过程。传统的光子系统模拟通常面临计算复杂度高、时间效率低的问题，尤其是在处理高频光学载波时。作者提出的解决方案是利用系统散射参数作为出发点，建立一个基带等效的状态空间模型。 首先，理解光子系统的散射参数（S参数）是关键。S参数描述了光子设备或电路输入和输出之间的关系，它包含了所有可能的输入-输出组合的信息，对于理解和设计光子系统至关重要。在本研究中，这些参数被用来构建等效模型。 接着，文章的核心在于基带等效状态空间模型的构建。这个模型通过将高频率的光学载波分解到基带，降低了计算的复杂性。在基带进行仿真意味着处理较低频率的信号，这通常比处理高频信号更简单，因为低频信号的傅里叶变换更容易进行，且计算资源的需求也相对较小。 然后，文章提到，尽管模型简化到了基带，但其准确度并未受到影响。这是因为可以从基带时间域的仿真结果中，通过分析方法恢复出原始的光子系统端口信号。这种能力确保了即使在降低复杂性后，模拟结果依然保持了与实际系统的高度一致。 最后，该方法的应用场景广泛，包括但不限于各种光子器件（如光调制器、光滤波器、光开关等）以及光通信系统中的光子电路。通过采用这种新的数值模拟方法，工程师可以更快地进行设计迭代，减少实验验证次数，从而提高研发效率，并节约成本。 这项工作为光子学领域的仿真提供了一种新的有效工具，有助于推动光电子技术的发展，特别是在高速光通信、光信息处理和光计算等领域。通过减少计算复杂性并保持精度，这种方法有望成为未来光子系统建模的标准之一。