對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析

1、武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電子1003班 指導(dǎo)教師： 婁平 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析 初始條件：計算機、beamprop或Fullwave軟件要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件。（2）對對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行理論學(xué)習(xí)和特性分析。（3）對對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性進行beamprop軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用

2、A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：第1天做課設(shè)具體實施安排和課設(shè)報告格式要求說明。第2-5天學(xué)習(xí)beamprop軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計內(nèi)容的基本理論知識。第6-9天對對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行設(shè)計仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。第10天提交課程設(shè)計報告，進行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日17目錄摘要IAbstractII1 緒論12 微環(huán)諧振濾波器22.1微環(huán)諧振腔簡介22.2微環(huán)諧振濾波器的工作原理22.3雙環(huán)諧振腔的濾波特性62.3.1單環(huán)的傳輸特性62.3.2 雙環(huán)的傳輸特性73 Beamprop和Fullwave介紹84 濾波特性仿

3、真94.1 Beamprop參數(shù)設(shè)置步驟94.2 檢查指數(shù)資料114.3 分析建立124.4 仿真125 心得體會15參考文獻16摘要 隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術(shù)在于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的新型光波導(dǎo)器件。微環(huán)諧振器(簡稱微環(huán))滿足了上述兩個要求，其微納米量級的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成。 本文介紹的是通過Fullwave軟件進行諧振濾波器的光譜仿真，F(xiàn)ullwave是一款實用性非常強的光學(xué)應(yīng)用軟件，本文包含了Fullwave軟件的介紹、諧振濾波器的原理以及其濾波特性仿真。關(guān)鍵

4、詞：諧振濾波器、Fullwave、濾波特性仿真AbstractWith the development of optical communication technology, optical communication network needs to constantly improve the performance and reduce the operation cost, its core technology is that the optical waveguide device miniaturization, integration and scale, at the sa

5、me time the future all-optical network is an urgent need to achieve a variety of functions of the new type optical waveguide device. This article describes the spectrum of the resonant filter Fullwave software simulation, Fullwave is a very strong practical optical applications, contains the Fullwav

6、e software, the simulation of the principle of the resonant filter and filter characteristics.Keywords: resonant filters、Fullwave、filter characteristic simulation 1 緒論光通信，顧名思義，即用光作為信息的載體來傳遞信號，在通信不發(fā)達的古代，人們就已經(jīng)懂得利用光來傳遞信息。自從1960年美國科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，2009年的諾貝爾物理學(xué)獲得者高琨(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hc

7、kman) 于1966年提出玻璃纖維可傳輸光信號，并指出通信光纖的要求是每公里衰減小于20分貝(dB)之后，通信領(lǐng)域進入了一個嶄新的時代光纖通信技術(shù)時代。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術(shù)在于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的新型光波導(dǎo)器件，例如能同時實現(xiàn)光學(xué)濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號處理的基本單元，通過大規(guī)模集成該單元在一個襯底上實現(xiàn)功能強大的光子學(xué)“片上系統(tǒng)”。微環(huán)諧振器(簡稱微環(huán))滿足了上述兩個要求，其微納米量級的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時能實現(xiàn)包括濾波器、延遲線、緩存器、

8、激光器、路由器、波長復(fù)用/解復(fù)用器、光開關(guān)、調(diào)制器、波長轉(zhuǎn)換器、碼型轉(zhuǎn)換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強大，因此微環(huán)己成為光纖通信和集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。由于采用單環(huán)光諧振器的光濾波器在通帶結(jié)構(gòu)上固有的局限性，人們提出了采用多環(huán)串聯(lián)耦合或并聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的高級次光諧振器來改善通帶結(jié)構(gòu),相對其它高級次結(jié)構(gòu)，二級微環(huán)具有最為簡單的調(diào)諧要求。本次課設(shè)將對雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的二級光諧振器（簡稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特性進行分析。首先給出雙環(huán)光微諧振器的傳遞函數(shù)；在此基礎(chǔ)上進行其濾波特性分析，明確環(huán)與環(huán)間和環(huán)與輸入輸出光引導(dǎo)波導(dǎo)間的光功率耦合大小對濾波特性的影響，清晰通帶結(jié)構(gòu)及可控性，比較相對單環(huán)諧

9、振濾波器的不同與改進。本次課設(shè)主要研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡要介紹了它的概念和應(yīng)用，其中重點介紹了它的濾波特性。2 微環(huán)諧振濾波器2.1微環(huán)諧振腔簡介微環(huán)諧振器具有非常簡單，緊湊的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它由兩根直波導(dǎo)和一個環(huán)形的彎曲波導(dǎo)構(gòu)成。如圖2.1，光從端口A入射，達到直波導(dǎo)與環(huán)構(gòu)成的第一個耦合區(qū)，部分光耦合到環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)，傳輸?shù)较乱粋€直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的耦合區(qū)，光由c端口輸出。當(dāng)入射波長滿足在環(huán)內(nèi)的諧振條件(即波長的整數(shù)倍等于環(huán)一周的光程時，光由C端口輸出；不滿足諧振條件的光從B端口輸出。因而微環(huán)諧振器對定波長的光起濾波的作用，其最基本的用途是實現(xiàn)濾波。如圖2.1，由端口A入射一

10、定波長范圍的光，特定的波長(滿足諧振條件)由C端口輸出，也就是說光經(jīng)過微環(huán)諧振器，含有特定信息的光下傳到C端口，新信息可由D端口上傳，由B端口輸出。微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)將上傳下載四個端口分開。因此多個微環(huán)諧振器級聯(lián)可作上傳下載信號的模塊。 圖2.1微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)2.2微環(huán)諧振濾波器的工作原理微環(huán)諧振器的基本原理類似法一泊腔的原理，如圖22。二者最大的區(qū)別是微環(huán)諧振器中形成的行波，而法一泊腔中形成的是駐波。光入射到微環(huán)諧振器中，部分光沿直波導(dǎo)傳輸，部分光耦合到環(huán)中，類似于法泊腔中，部分傳輸，部分反射。法泊腔中反射系數(shù)相當(dāng)于環(huán)中傳輸系數(shù)t1，而傳輸系數(shù)相當(dāng)于環(huán)中的耦合系數(shù)K1。圖2.2 法泊腔與

11、微環(huán)諧振器的比較 推導(dǎo)微環(huán)諧振器的傳輸特性中，最常用的方法就是傳輸矩陣的方法。由圖2.2(b)所示，ai，bi(i=l，2，3,4)表示直波導(dǎo)和環(huán)中的場強，由模式耦合理論可得， (2.1)式中，t1為振幅的傳輸系數(shù)，k1為振幅的耦合系數(shù)，在耦合無損耗的情況下，由式(21)得，又因，其中護為光傳輸一周的相位， (2.2)L為環(huán)的周長，L=2rcR，A為周損耗因子，它表示光在環(huán)中傳輸一周剩余的振幅的百分比，令a=A2，則a表示光在環(huán)中傳輸一周剩余的能量的百分比，A=e一aL/2。所以，在a4=0時，可推導(dǎo)出b1與a1的關(guān)系， (2.3) (2.4)當(dāng)環(huán)的兩個耦合區(qū)對稱耦合時，令=K, =T時，K+

12、T=1K表示直波導(dǎo)耦合到環(huán)中的能量，即能量的耦合系數(shù)，T表示能量的傳輸系數(shù)。式23變?yōu)?(2.5)C端口的輸出為， (2.6) (2.7)當(dāng)環(huán)的兩個耦合區(qū)對稱耦合時， (2.8)把式(22)代入到式(25)， (28)中，選取一定的半徑R，耦合系數(shù)K，損耗因子A，就可得如圖23，可得到微環(huán)端口B，C的輸出特件曲線。圖23微環(huán)諧振器的傳輸特性曲線上述的公式，也可也采用法-泊腔的原理進行推導(dǎo)，把各次耦合到C端口的場強進行疊加，利用多光束干涉的原理也可以推導(dǎo)出公式(28)，推導(dǎo)過程如下， (2.9)當(dāng)時，式(29)變?yōu)橄率剑?(2.10)如果k不趨于無窮，也就是說光在環(huán)中傳輸幾圈以后輸出，式(29)

13、式取絕對值的平方，得 (2.11)式(211)中由于項的存在，當(dāng)k值較小的時候，(210)式的近似不成立，所以用FDTD對微環(huán)諧振器進行模擬的時候，在時間較短的情況下，C端口的輸出是不穩(wěn)定的，這也是微環(huán)諧振器仿真模擬的時候需要較長的時間的原因。2.3雙環(huán)諧振腔的濾波特性2.3.1單環(huán)的傳輸特性如圖2.7，給出單環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，tl，kl為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。無損耗的情況下，Drop端和Though端的輸出為，圖2.4：單個微環(huán)諧振器 (212 a) (212 b)2.3.2 雙環(huán)的傳輸特性如圖28，給出雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本

14、結(jié)構(gòu)，tl，k1為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為兩個環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。先看靠近Drop端的環(huán)，由公式(212 a)可得， (213a)把b3與a3間的傳輸系數(shù)定義為T2，再看上面的環(huán)，由公式(212 a)可得Though端的輸出， (213 b)圖2.5：雙環(huán)微環(huán)諧振器下面推導(dǎo)雙環(huán)Drop端的輸出，先看靠近入射波導(dǎo)的環(huán)，由(212 b)，得 (214a)再看靠近輸出波導(dǎo)的環(huán)，由公式(212 b)可得Drop端的輸出， (214b)3 Beamprop和Fullwave介紹Beamprop是一個高度集成了計算機輔助設(shè)

15、計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法(finite-differencebeampropagationmethod)來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學(xué)器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨立執(zhí)行模擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。Fullwave是一高度整合之復(fù)雜光子組件仿真設(shè)計分析軟件，它使用有限差分時域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無法

16、建立模型分析的光子組件，例如光晶體與環(huán)狀共振器等。因此，RSoft公司所開發(fā)的BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實際上是具有互補之作用。其主控程序為BeamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來設(shè)計光波導(dǎo)組件及光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個CADLayout程序。4 濾波特性仿真4.1 Beamprop參數(shù)設(shè)置步驟打開Beamprop軟件所在文件夾，打開CAD Layout程序，開始這次的仿真。首先在菜單中選擇“New Circuit”，然后修改其中的“Free Space Wavelength”、“Background Index”、“Index Diffe

17、rence”和“Waveguide Width”參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖4.1所示。圖 4-1BeamProp參數(shù)設(shè)置然后點擊“Edit Symbols”按鈕進行變量定義，如圖4.2所示：圖 4-2變量定義然后進行濾波器的繪制，然后每個部分分別都要進行設(shè)置，通過右鍵點擊每個部分就可以修改參數(shù)，第一個圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示：圖 4.3第一個圓柱的參數(shù)設(shè)置第二個圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.4所示：圖 4.4第二個圓柱的參數(shù)設(shè)置輸入的參數(shù)設(shè)置如圖4.5所示：圖 4.5輸入的參數(shù)設(shè)置4.2 檢查指數(shù)資料為了看清楚濾波器的指數(shù)損耗，我們需要檢查指數(shù)資料。點擊“Compute Index Profile”按鈕就

18、可查看并修改了。如圖4.6所示：圖 4.6指數(shù)資料4.3 分析建立現(xiàn)在濾波器已經(jīng)定義好了，就需要監(jiān)測器去查看分析。點擊左側(cè)工具欄中的“Edit Pathways”按鈕，然后點擊“New”將各部件涂成綠色。然后點擊“Monitors”打開監(jiān)測器對話框，連續(xù)點擊“New”，讓第一個保持在默認(rèn)狀態(tài)，在第二個監(jiān)測器對話框中，將“Monitor Component”設(shè)為“MajorBackward”。當(dāng)幾個監(jiān)測器設(shè)置正確后，進行下一步仿真。4.4 仿真點擊“Perform Simulation”圖標(biāo)打開仿真對話框，然后在仿真對話框的參數(shù)設(shè)置如圖4.7所示：圖 4.7仿真參數(shù)設(shè)置然后就能得出仿真結(jié)果，因為是FTDT法仿真，所以時間較久，下面是不同時期，如圖4.8，4.9，4.10所示：圖 4.8 開始時仿真結(jié)果圖 4.9中期仿真結(jié)果（第一個環(huán)產(chǎn)生諧振）圖 4.10最終仿真結(jié)果5 心得體會在做本次課程設(shè)計的過程中，我感觸最深