武漢理工大學非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特性分析綜述

武漢理工大學非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述武漢理工大學非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述28/28武漢理工大學非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書課程設計任務書學生姓名：指導教師：題目:

專業(yè)班級：工作單位：信息工程學院非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特點解析初始條件：計算機、beamprop軟件(或Fullwave軟件)要求完成的主要任務:（包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等詳盡要求）1、課程設計工作量：2周2、技術要求：（1）學習beamprop軟件(或Fullwave軟件)。（2）對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行理論學習和特點解析。（3）對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特點進行Fullwave軟件仿真工作。3、查閱最少5篇參照文件。按《武漢理工大學課程設計工作規(guī)范》要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應吻合繪圖規(guī)范。時間安排：做課設詳盡推行安排和課設報告格式要求說明。學習beamprop軟件(或Fullwave軟件)，查閱相關資料，復習所設計內容的基本理論知識。2012.6.29-7.5對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行設計仿真工作，完成課設報告的撰寫。2012.7.6提交課程設計報告，進行爭辯。武漢理工大學《光電子技術》課程設計說明書目錄大綱IAbstractII1緒論12微環(huán)諧振濾波器2微環(huán)諧振腔簡介2微環(huán)諧振濾波器的基本結構32.3雙環(huán)諧振腔的濾波特點63Beamprop和Fullwave介紹94濾波特點仿真104.1BeamProp參數(shù)設置步驟10檢查指數(shù)資料14解析建立154.4仿真155心得領悟20參照文件21大綱隨著光纖通信技術的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術在于光波導器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡迫切需要可以實現(xiàn)多種功能的新式光波導器件。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特別適于大規(guī)模單片親密集成。本文介紹的是經(jīng)過Fullwave軟件進行諧振濾波器的光譜仿真，F(xiàn)ullwave是一款合用性特別強的光學應用軟件，本文包括了Fullwave軟件的介紹、諧振濾波器的原理以及其濾波特點仿真。重點詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特點仿真AbstractWiththedevelopmentofopticalcommunicationtechnology,opticalcommunicationnetworkneedstoconstantlyimprovetheperformanceandreducetheoperationcost,itscoretechnologyisthattheopticalwaveguidedeviceminiaturization,integrationandscale,atthesametimethefutureall-opticalnetworkisanurgentneedtoachieveavarietyoffunctionsofthenewtypeopticalwaveguidedevice.ThisarticledescribesthespectrumoftheresonantfilterFullwavesoftwaresimulation,Fullwaveisaverystrongpracticalopticalapplications,containstheFullwavesoftware,thesimulationoftheprincipleoftheresonantfilterandfiltercharacteristics.Keywords:resonantfilters;Fullwave;filtercharacteristicsimulation緒論光通信，顧名思義，即用光作為信息的載體來傳達信號，在通信不發(fā)達的古代，人們就已經(jīng)懂得利用光來傳達信息。自從1960年美國科學家梅曼（Maiman）發(fā)了然第一臺紅寶石激光器[1]，2009年的諾貝爾物理學獲得者高琨(CharlesK.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hckman)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)此后[2]，通信領域進入了一個嶄新的時代——光纖通信技術時代。隨著光纖通信技術的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術在于光波導器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡迫切需要可以實現(xiàn)多種功能的新式光波導器件，比方能同時實現(xiàn)光學濾波器、延緩線、緩存器和各種全光信號辦理的基本單元，經(jīng)過大規(guī)模集成該單元在一個襯底上實現(xiàn)功能富強的光子學“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特別適于大規(guī)模單片親密集成，同時能實現(xiàn)包括濾波器、延緩線、緩存器、激光器、路由器、波長復用/解復用器、光開關、調制器、波長變換器、碼型變換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能特別富強，所以微環(huán)己成為光纖通信和集成光學領域的研究熱點之一。由于采用單環(huán)光諧振器的光濾波器在通帶結構上固有的限制性，人們提出了采用多環(huán)串通耦合或并聯(lián)耦合結構的高級次光諧振器來改進通帶結構,相對其他高級次結構，二級微環(huán)擁有最為簡單的調諧要求。本次課設將對雙環(huán)耦合結構的二級光諧振器（簡稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特點進行解析。第一給出雙環(huán)光微諧振器的傳達函數(shù)；在此基礎進步行其濾波特點解析，明確環(huán)與環(huán)間和環(huán)與輸入輸出光引導波導間的光功率耦合大小對濾波特點的影響，清楚通帶結構及可控性，比較相對單環(huán)諧振濾波器的不同樣與改進。本次課設主要研究微環(huán)諧振器的基本結構，簡要介紹了它的看法和應用，其中重點介紹了它的濾波特點。微環(huán)諧振濾波器微環(huán)諧振腔簡介微環(huán)諧振器擁有特別簡單，緊湊的結構，其結構如圖2．1所示，它由兩根直波導和一個環(huán)形的波折波導組成。如圖2．1，光從端口A入射，達到直波導與環(huán)組成的第一個耦合區(qū)，部分光耦合到環(huán)形波導內，傳輸?shù)较乱粋€直波導與環(huán)形波導組成的耦合區(qū)，光由c端口輸出。當入射波長滿足在環(huán)內的諧振條件(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。所以微環(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入射必然波長范圍的光，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)諧振器的結構將上傳下載四個端口分開。所以多個微環(huán)諧振器級聯(lián)可作上傳下載信號的模塊。圖2．1微環(huán)諧振器的基本結構微環(huán)諧振濾波器的工作原理微環(huán)諧振器的基根源理近似法一泊腔的原理，如圖2．2。兩者最大的差異是微環(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，部分光沿直波導傳輸，部分光耦合到環(huán)中，近似于法．泊腔中，部分傳輸，部分反射。法．泊腔中反射系數(shù)相當于環(huán)中傳輸系數(shù)t1，而傳輸系數(shù)相當于環(huán)中的耦合系數(shù)K1。圖法．泊腔與微環(huán)諧振器的比較推導微環(huán)諧振器的傳輸特點中，最常用的方法就是傳輸矩陣的方法[27,281。由圖2．2(b)所示，ai，bi(i=l，2，3,4)表示直波導和環(huán)中的場強，由模式耦合理論可得，b1t1k1a1(2．1)b2x1.t1a2式中，t1為振幅的傳輸系數(shù)，k1為振幅的耦合系數(shù)，在耦合無耗費的情況下22k1，由式(2．1)得，b1t1a1k1a2，又因a2Ab2ej，其t1k11，k1中護為光傳輸一周的相位，2（2.2）neffLL為環(huán)的周長，L=2rcR，A為周耗費因子，它表示光在環(huán)中傳輸一周節(jié)余的振2一aL/2幅的百分比，令a=A，則a表示光在環(huán)中傳輸一周節(jié)余的能量的百分比，A=e。b1t1t2Aeja1(2.3)1t1t2AejIBb12t12t222t1t2Acos（）IAa121t12t222t1t2Acos當環(huán)的兩個耦合區(qū)對稱耦合時，2222令k1=k2=K,t1=t2=T時，K+T=1．K表示直波導耦合到環(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2．3變?yōu)镮B1(1TA)K(2.5)IA(1TA)24TAsin2(2)C端口的輸出為，b4k1k2Aej/2(2.6)1t1t2Aeja1ICb42k122Ak22t12t22(2.7)IAa112t1t2Acos當環(huán)的兩個耦合區(qū)對稱耦合時，ICK2A（）IA(1TA)24TAsin2(2)把式(2．2)代入到式(2．5)，(2．8)中，采用必然的半徑R，耦合系數(shù)K，耗費因子A，即可得如圖2．3，可獲得微環(huán)端口B，C的輸出特件曲線。圖2．3微環(huán)諧振器的傳輸特點曲線上述的公式，也可也采用法-泊腔的原理進行推導，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出公式(2．8)，推導過程以下，b4k1k2Aej/2(1At1t2ejA2t12t22ej2)a1（2.9）k1k2Aej/21(At1t2ej)k1Att2ej當k時，式(2．9)變?yōu)橄率?，b4k1k2Aej/2（2.10）a11At1t2ej若是k不趨于無量，也就是說光在環(huán)中傳輸幾圈今后輸出，式(2．9)式取絕對值的平方，得2j2b4k1k2Ae/2(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)（2.11）a1j21At1t2e式(2．11)中由于項(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)的存在，當k值較小的時候，(2．10)式的近似不可以立，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端口的輸出是不牢固的，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)諧振腔的濾波特點2．3．1單環(huán)的傳輸特點圖2.4：單個微環(huán)諧振器如圖2.7，給出單環(huán)微環(huán)諧振器的基本結構，tl，kl為入射直波導和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為環(huán)和出射直波導的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。無耗費的情況下，Drop端和Though端的輸出為，bb

t1t2ej1j/21t1t2ek1k2ej/241t1t2ej

aa

11

(2．12a)(2．12b)2．4．2雙環(huán)的傳輸特點如圖2．8，給出雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結構，tl，k1為入射直波導和環(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)和出射直波導的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。先看湊近Drop端的環(huán)，由公式(2．12a)可得，t2t3ejja3T2a3(2．13a)b3t1t2e1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(2．12a)可得Though端的輸出，t1T2ejja1(2．13b)b1t1T2e1圖2.5：雙環(huán)微環(huán)諧振器下面推導雙環(huán)Drop端的輸出，先看湊近入射波導的環(huán)，由(2．12b)，得k1ek/2(2．14a)a31t1T1eja1K1a1再看湊近輸出波導的環(huán)，由公式(2．12b)可得Drop端的輸出，a6k2k3ej/2K1k2k3ej/2(2．14b)1t2t3eja31t2t3eja13Beamprop和Fullwave介紹Beamprop是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件使用先進的有限差分光束流傳法(finite-differencebeampropagationmethod)來模擬解析光學器件。用戶界面友好，解析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完滿的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、解析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內或獨立執(zhí)行模擬解析工作，以圖形方式顯示域的特點以及用戶感興趣的各種數(shù)值特點。Fullwave是一高度整合之復雜光子組件仿真設計解析軟件，它使用－有限差分時域之模擬解析方法，藉以解析一般光束流傳法所無法建立模型解析的光子組件，比如光晶體與環(huán)狀共振器等。所以，RSoft企業(yè)所開發(fā)的BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實際上是擁有互補之作用。其主控程序為BeamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來設計光波導組件及光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個CADLayout程序。濾波特點仿真4.1BeamProp參數(shù)設置步驟打開BeamProp軟件所在文件夾，打開CADLayout程序，開始此次的仿真。第一在菜單中選擇“NewCircuit”，爾后更正其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”參數(shù)，參數(shù)設置如圖4.1所示。圖4-1BeamProp參數(shù)設置爾后點擊“EditSymbols”按鈕進行變量定義，如圖4.2所示：圖4-2變量定義爾后進行濾波器的繪制，爾后每個部分分別都要進行設置，經(jīng)過右鍵點擊每個部分就可以更正參數(shù)，第一個圓柱的參數(shù)設置如圖4.3所示：圖4-3第一個圓柱的參數(shù)設置第二個圓柱的參數(shù)設置如圖4.4所示：圖4-4第二個圓柱的參數(shù)設置輸入的參數(shù)設置如圖4.5所示：圖4-5輸入的參數(shù)設置檢查指數(shù)資料為了看清楚濾波器的指數(shù)耗費，我們需要檢查指數(shù)資料。點擊“ComputeIndexProfile”按鈕即可查察并更正了。如圖4.6所示：圖4-6指數(shù)資料解析建立現(xiàn)在濾波器已經(jīng)定義好了，就需要監(jiān)測器去查察解析。點擊左側工具欄中的“EditPathways”按鈕，爾后點擊“New”將各部件涂成綠色。爾后點擊“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狀態(tài)，在第二個監(jiān)測器對話框中，將“MonitorComponent”設為“Major—Backward”。當幾個監(jiān)測器設置正確后，進行下一步仿真。仿真點擊“PerformSimulation”圖標打開仿真對話框，爾后在仿真對話框的參數(shù)設置如圖4.7所示：圖4-7仿真參數(shù)設置爾后就能得出仿真結果，由于是FTDT法仿真，所以時間較久，下面是不同樣時期，如圖4.8，4.9，4.10所示：圖4-8開始時仿真結果圖4-9中期仿真結果（第一個環(huán)產(chǎn)生諧振）圖4-10最后仿真結果心得領悟隨著信息時代的到來，人們對于光纖通信系統(tǒng)的通信容量的需求正呈級數(shù)增添，而大規(guī)模集成光學無疑將成為未來大容量高速度光纖通信網(wǎng)絡的一個重要組成部分。微環(huán)諧振腔以其功能多樣、結構簡潔、集成度高等特點已經(jīng)成為集成光學領域的研究熱點。在做本次課程設計的過程中，我感想最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完滿，查閱這方面的設計資料是十分必要的，同時也是必不可以少的。過沒想到這項看