武漢理工大學(xué)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特性分析

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特性分析 初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件(或Fullwave軟件)要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)。（2）對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和特性分析。（3）對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性進(jìn)行Fullwave軟件仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪

2、圖規(guī)范。時(shí)間安排：2012.6.25做課設(shè)具體實(shí)施安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說(shuō)明。2012.6.25-6.28學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2012.6.29-7.5對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě)。2012.7.6 提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。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(jiǎn)介22.2微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)32.3 雙環(huán)諧振腔的濾波特性63 Beamprop和Fullwave介紹94 濾波特性仿真104.1 BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟104.2 檢查指數(shù)

3、資料144.3 分析建立154.4 仿真155 心得體會(huì)20參考文獻(xiàn)21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(yùn)營(yíng)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(shí)未來(lái)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(jiǎn)稱微環(huán))滿足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)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(guò)Fullwave軟件進(jìn)行諧振濾波器的光譜仿真，F(xiàn)ullwave是一款實(shí)用性非常強(qiáng)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)鍵詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特性仿真Abstra

4、ct With 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 same time the future all-optic

5、al 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 Fullwave software, the simulation o

6、f 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(lái)傳遞信號(hào)，在通信不發(fā)達(dá)的古代，人們就已經(jīng)懂得利用光來(lái)傳遞信息。自從 1960 年美國(guó)科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器1，2009 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.Hckman) 于 1966 年提出玻璃纖維可傳

7、輸光信號(hào)，并指出通信光纖的要求是每公里衰減小于 20 分貝(dB)之后2，通信領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代光纖通信技術(shù)時(shí)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(yùn)營(yíng)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(shí)未來(lái)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(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號(hào)處理的基本單元，通過(guò)大規(guī)模集成該單元在一個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的光子學(xué)“片上系統(tǒng)”。微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱微環(huán))滿足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)包括濾波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器

8、、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、波長(zhǎng)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(qiáng)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(diǎn)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(jí)次光諧振器來(lái)改善通帶結(jié)構(gòu),相對(duì)其它高級(jí)次結(jié)構(gòu)，二級(jí)微環(huán)具有最為簡(jiǎn)單的調(diào)諧要求。本次課設(shè)將對(duì)雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的二級(jí)光諧振器（簡(jiǎn)稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特性進(jìn)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(jìn)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(duì)濾波特性的影響，清晰通帶結(jié)構(gòu)及可控性，比較相對(duì)單環(huán)諧振濾波器的不同與改進(jìn)。本次課設(shè)主要

9、研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要介紹了它的概念和應(yīng)用，其中重點(diǎn)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(jiǎn)介微環(huán)諧振器具有非常簡(jiǎn)單，緊湊的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖21所示，它由兩根直波導(dǎo)和一個(gè)環(huán)形的彎曲波導(dǎo)構(gòu)成。如圖21，光從端口A入射，達(dá)到直波導(dǎo)與環(huán)構(gòu)成的第一個(gè)耦合區(qū)，部分光耦合到環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)，傳輸?shù)较乱粋€(gè)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(zhǎng)滿足在環(huán)內(nèi)的諧振條件(即波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于環(huán)一周的光程時(shí)，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(duì)定波長(zhǎng)的光起濾波的作用，其最基本的用途是實(shí)現(xiàn)濾波。如圖21，由端口A入射一定波長(zhǎng)范圍的光，特定的波長(zhǎng)(滿足諧振條件

10、)由C端口輸出，也就是說(shuō)光經(jīng)過(guò)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(gè)端口分開(kāi)。因此多個(gè)微環(huán)諧振器級(jí)聯(lián)可作上傳下載信號(hào)的模塊。 圖21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 法泊腔與微環(huán)諧振器的比較 推導(dǎo)微環(huán)諧振器的傳輸特

11、性中，最常用的方法就是傳輸矩陣的方法27,281。由圖22(b)所示，ai，bi(i=l，2，3,4)表示直波導(dǎo)和環(huán)中的場(chǎng)強(qiáng)，由模式耦合理論可得， (21)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(wú)損耗的情況下，由式(21)得，又因，其中護(hù)為光傳輸一周的相位， （2.2）L為環(huán)的周長(zhǎng)，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(shí)，可推導(dǎo)出b1與a1的關(guān)系， (2.3) （2.4）當(dāng)環(huán)的兩個(gè)耦合區(qū)對(duì)稱耦合時(shí)，令=K, =T時(shí)，K+T=1K表示直波導(dǎo)耦合到環(huán)中的能

12、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(gè)耦合區(qū)對(duì)稱耦合時(shí)， （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(jìn)行推導(dǎo)，把各次耦合到C端口的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)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(guò)程如下， （2.9）當(dāng)時(shí)，式(29)變?yōu)橄率剑?（2.10）如果k不趨于無(wú)窮，也就是說(shuō)光在環(huán)中傳輸幾圈以后輸出，式(29)式取絕對(duì)值的平方，得 （2.11

13、）式(211)中由于項(xiàng)的存在，當(dāng)k值較小的時(shí)候，(210)式的近似不成立，所以用FDTD對(duì)微環(huán)諧振器進(jìn)行模擬的時(shí)候，在時(shí)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(shí)候需要較長(zhǎng)的時(shí)間的原因。2.3雙環(huán)諧振腔的濾波特性231單環(huán)的傳輸特性圖2.4：?jiǎn)蝹€(gè)微環(huán)諧振器如圖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(wú)損耗的情況下，Drop端和Though端的輸出為， (212 a) (212 b)242雙環(huán)的傳輸特性如圖28，給出雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，tl，k1為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)

14、和耦合系數(shù)，t2，k2為兩個(gè)環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個(gè)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(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用

15、于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來(lái)模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)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(chǎng)以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)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(jì)分析軟件，它使用有限差分時(shí)域之模擬分析方法，藉以分析

16、一般光束傳播法所無(wú)法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(kāi)發(fā)的 BeamPROP 與 FullWAVE 軟體，兩者實(shí)際上是具有互補(bǔ)之作用。其主控程序?yàn)?#160;BeamPROP 之 CAD Layout 系統(tǒng)，用來(lái)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)組件及光路，亦即 BeamPROP 與 FullWAVE 共享同一個(gè) CAD Layout 程序。4 濾波特性仿真4.1 BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟打開(kāi)BeamProp軟件所在文件夾，打

17、開(kāi)CAD Layout程序，開(kāi)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 Difference”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(diǎn)擊“Edit Symbols”按鈕進(jìn)行變量定義，如圖4.2所示：圖 4-2變量定義然后進(jìn)行濾波器的繪制，然后每個(gè)部分分別都要進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)右鍵點(diǎn)擊每個(gè)部分就可以修改參數(shù)，第一個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示：圖 4-3第一個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置第二個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.4所示

18、：圖 4-4第二個(gè)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(diǎn)擊“Compute Index Profile”按鈕就可查看并修改了。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(cè)器去查看分析。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄中的“Edit Pathways”按鈕，然后點(diǎn)擊“New”將各部件涂成綠色。然后點(diǎn)擊“Monitors”打開(kāi)監(jiān)測(cè)器對(duì)話框，連續(xù)點(diǎn)擊“New”，讓第一個(gè)保持在默認(rèn)狀態(tài)，在第二個(gè)監(jiān)測(cè)器對(duì)話框中，將“Monitor Component”設(shè)為“MajorBackwar

19、d”。當(dāng)幾個(gè)監(jiān)測(cè)器設(shè)置正確后，進(jìn)行下一步仿真。4.4 仿真點(diǎn)擊“Perform Simulation”圖標(biāo)打開(kāi)仿真對(duì)話框，然后在仿真對(duì)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?yàn)槭荈TDT法仿真，所以時(shí)間較久，下面是不同時(shí)期，如圖4.8，4.9，4.10所示：圖 4-8 開(kāi)始時(shí)仿真結(jié)果圖 4-9中期仿真結(jié)果（第一個(gè)環(huán)產(chǎn)生諧振）圖 4-10最終仿真結(jié)果5 心得體會(huì)隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)于光纖通信系統(tǒng)的通信容量的需求正呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，而大規(guī)模集成光學(xué)無(wú)疑將成為未來(lái)大容量高速度光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分。微環(huán)諧振腔以其功能多樣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、集成度高等特點(diǎn)已經(jīng)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在做本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的，同時(shí)也是必不可少的。過(guò)沒(méi)想到這項(xiàng)看起來(lái)不需要多少技術(shù)的工作卻是非常需要耐心和精力在兩個(gè)星期后的今天我已明白課程設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)的意義，它