武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特性分析.docx

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武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特性分析

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目:

非对称双环微环谐振滤波器特性分析

初始条件：

计算机、beamprop软件（或Fullwave软件）

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

2周

2、技术要求：

（1）学习beamprop软件（或Fullwave软件）。

（2）对非对称双环微环谐振滤波器进行理论学习和特性分析。

（3）对非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性进行Fullwave软件仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2012.6.25-6.28学习beamprop软件（或Fullwave软件），查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2012.6.29-7.5对非对称双环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2012.7.6提交课程设计报告，进行答辩。

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

2微环谐振滤波器2

2.1　微环谐振腔简介2

2.2　微环谐振滤波器的基本结构3

2.3双环谐振腔的滤波特性6

3Beamprop和Fullwave介绍9

4滤波特性仿真10

4.1BeamProp参数设置步骤10

4.2检查指数资料14

4.3分析建立15

4.4仿真15

5心得体会20

参考文献21

摘要

随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。

微环谐振器（简称微环）满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。

本文介绍的是通过Fullwave软件进行谐振滤波器的光谱仿真，Fullwave是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Fullwave软件的介绍、谐振滤波器的原理以及其滤波特性仿真。

关键词：

谐振滤波器；Fullwave；滤波特性仿真

Abstract

Withthedevelopmentofopticalcommunicationtechnology,opticalcommunicationnetworkneedstoconstantlyimprovetheperformanceandreducetheoperationcost,itscoretechnologyisthattheopticalwaveguidedeviceminiaturization,integrationandscale,atthesametimethefutureall-opticalnetworkisanurgentneedtoachieveavarietyoffunctionsofthenewtypeopticalwaveguidedevice.

ThisarticledescribesthespectrumoftheresonantfilterFullwavesoftwaresimulation,Fullwaveisaverystrongpracticalopticalapplications,containstheFullwavesoftware,thesimulationoftheprincipleoftheresonantfilterandfiltercharacteristics.

Keywords:

resonantfilters;Fullwave;filtercharacteristicsimulation

1绪论

光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传递信息。

自从1960年美国科学家梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，2009年的诺贝尔物理学获得者高琨（CharlesK.Kao）和他的同事霍克曼（G.A.Hckman）于1966年提出玻璃纤维可传输光信号，并指出通信光纤的要求是每公里衰减小于20分贝（dB）之后[2]，通信领域进入了一个崭新的时代——光纤通信技术时代。

随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件，例如能同时实现光学滤波器、延迟线、缓存器和各种全光信号处理的基本单元，通过大规模集成该单元在一个衬底上实现功能强大的光子学“片上系统”。

微环谐振器（简称微环）满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成，同时能实现包括滤波器、延迟线、缓存器、激光器、路由器、波长复用/解复用器、光开关、调制器、波长转换器、码型转换、逻辑门和传感器等功能单元，功能非常强大，因此微环己成为光纤通信和集成光学领域的研究热点之一。

由于采用单环光谐振器的光滤波器在通带结构上固有的局限性，人们提出了采用多环串联耦合或并联耦合结构的高级次光谐振器来改善通带结构,相对其它高级次结构，二级微环具有最为简单的调谐要求。

本次课设将对双环耦合结构的二级光谐振器（简称双环光微谐振器）的光滤波特性进行分析。

首先给出双环光微谐振器的传递函数；在此基础上进行其滤波特性分析，明确环与环间和环与输入输出光引导波导间的光功率耦合大小对滤波特性的影响，清晰通带结构及可控性，比较相对单环谐振滤波器的不同与改进。

本次课设主要研究微环谐振器的基本结构，简要介绍了它的概念和应用，其中重点介绍了它的滤波特性。

2微环谐振滤波器

2.1微环谐振腔简介

微环谐振器具有非常简单，紧凑的结构，其结构如图2．1所示，它由两根直波导和一个环形的弯曲波导构成。

如图2．1，光从端口A入射，达到直波导与环构成的第一个耦合区，部分光耦合到环形波导内，传输到下一个直波导与环形波导构成的耦合区，光由c端口输出。

当入射波长满足在环内的谐振条件（即波长的整数倍等于环一周的光程时，光由C端口输出；不满足谐振条件的光从B端口输出。

因而微环谐振器对定波长的光起滤波的作用，其最基本的用途是实现滤波。

如图2．1，由端口A入射一定波长范围的光，特定的波长（满足谐振条件）由C端

口输出，也就是说光经过微环谐振器，含有特定信息的光下传到C端口，新信息可由D端口上传，由B端口输出。

微环谐振器的结构将上传下载四个端口分开。

因此多个微环谐振器级联可作上传下载信号的模块。

图2．1微环谐振器的基本结构

2.2微环谐振滤波器的工作原理

微环谐振器的基本原理类似法一泊腔的原理，如图2．2。

二者最大的区别是微环谐振器中形成的行波，而法一泊腔中形成的是驻波。

光入射到微环谐振器中，部分光沿直波导传输，部分光耦合到环中，类似于法．泊腔中，部分传输，部分反射。

法．泊腔中反射系数相当于环中传输系数t1，而传输系数相当于环中的耦合系数K1。

图2.2法．泊腔与微环谐振器的比较

推导微环谐振器的传输特性中，最常用的方法就是传输矩阵的方法[27,281。

由图2．2（b）所示，ai，bi（i=l，2，3,4）表示直波导和环中的场强，由模式耦合理论可得，

（2．1）

式中，t1为振幅的传输系数，k1为振幅的耦合系数，在耦合无损耗的情况下

，由式（2．1）得，

，又因

，其中护为光传输一周的相位，

（2.2）

L为环的周长，L=2rcR，A为周损耗因子，它表示光在环中传输一周剩余的振幅的百分比，令a=A2，则a表示光在环中传输一周剩余的能量的百分比，A=e一aL/2。

所以，在a4=0时，可推导出b1与a1的关系，

（2.3）

（2.4）

当环的两个耦合区对称耦合时，令

=

=K,

=

=T时，K+T=1．K表示直波导耦合到环中的能量，即能量的耦合系数，T表示能量的传输系数。

式2．3变为

（2.5）

C端口的输出为，

（2.6）

（2.7）

当环的两个耦合区对称耦合时，

（2.8）

把式（2．2）代入到式（2．5），（2．8）中，选取一定的半径R，耦合系数K，损耗因子A，就可得如图2．3，可得到微环端口B，C的输出特件曲线。

图2．3微环谐振器的传输特性曲线

上述的公式，也可也采用法-泊腔的原理进行推导，把各次耦合到C端口的场强进行叠加，利用多光束干涉的原理也可以推导出公式（2．8），推导过程如下，

（2.9）

当

时，式（2．9）变为下式，

（2.10）

如果k不趋于无穷，也就是说光在环中传输几圈以后输出，式（2．9）式取绝对值的平方，得

（2.11）

式（2．11）中由于项

的存在，当k值较小的时候，（2．10）式的近似不成立，所以用FDTD对微环谐振器进行模拟的时候，在时间较短的情况下，C端口的输出是不稳定的，这也是微环谐振器仿真模拟的时候需要较长的时间的原因。

2.3双环谐振腔的滤波特性

2．3．1单环的传输特性

图2.4：

单个微环谐振器

如图2.7，给出单环微环谐振器的基本结构，tl，kl为入射直波导和环的传输系数和耦合系数，t2，k2为环和出射直波导的传输系数和耦合系数。

无损耗的情况下，Drop端和Though端的输出为，

（2．12a）

（2．12b）

2．4．2双环的传输特性

如图2．8，给出双环微环谐振器的基本结构，tl，k1为入射直波导和环的传输系数和耦合系数，t2，k2为两个环之间的传输系数和耦合系数，t3，k3第二个环和出射直波导的传输系数和耦合系数。

先看靠近Drop端的环，由公式（2．12a）可得，

（2．13a）

把b3与a3间的传输系数定义为T2，再看上面的环，由公式（2．12a）可得Though端的输出，

（2．13b）

图2.5：

双环微环谐振器

下面推导双环Drop端的输出，先看靠近入射波导的环，由（2．12b），得

（2．14a）

再看靠近输出波导的环，由公式（2．12b）可得Drop端的输出，

（2．14b）

3Beamprop和Fullwave介绍

Beamprop 是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。

此软件使用先进的有限差分光束传播法 （finite-difference beam propagation method）来模拟分析光学器件。

用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。

其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：

数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。

另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。

Fullwave是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件，它使用－有限差分时域之模拟分析方法，藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件，例如光晶体与环状共振器等。

因此，RSoft公司所开发的 BeamPROP 与 FullWAVE 软体，两者实际上是具有互补之作用。

其主控程序为 BeamPROP 之 CAD Layout 系统，用来设计光波导组件及光路，亦即 BeamPROP 与 FullWAVE 共享同一个 CAD Layout 程序。

4滤波特性仿真

4.1BeamProp参数设置步骤

打开BeamProp软件所在文件夹，打开CADLayout程序，开始这次的仿真。

首先在菜单中选择“NewCircuit”，然后修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”参数，参数设置如图4.1所示。

图4-1　BeamProp参数设置

然后点击“EditSymbols”按钮进行变量定义，如图4.2所示：

图4-2　变量定义

然后进行滤波器的绘制，然后每个部分分别都要进行设置，通过右键点击每个部分就可以修改参数，第一个圆柱的参数设置如图4.3所示：

图4-3　第一个圆柱的参数设置

第二个圆柱的参数设置如图4.4所示：

图4-4　第二个圆柱的参数设置

输入的参数设置如图4.5所示：

图4-5　输入的参数设置

4.2检查指数资料

为了看清楚滤波器的指数损耗，我们需要检查指数资料。

点击“ComputeIndexProfile”按钮就可查看并修改了。

如图4.6所示：

图4-6　指数资料

4.3分析建立

现在滤波器已经定义好了，就需要监测器去查看分析。

点击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮，然后点击“New”将各部件涂成绿色。

然后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击“New”，让第一个保持在默认状态，在第二个监测器对话框中，将“MonitorComponent”设为“Major—Backward”。

当几个监测器设置正确后，进行下一步仿真。

4.4仿真

点击“PerformSimulation”图标打开仿真对话框，然后在仿真对话框的参数设置如图4.7所示：

图4-7　仿真参数设置

然后就能得出仿真结果，因为是FTDT法仿真，所以时间较久，下面是不同时期，如图4.8，4.9，4.10所示：

图4-8开始时仿真结果

图4-9　中期仿真结果（第一个环产生谐振）

图4-10　最终仿真结果

5心得体会

随着信息时代的到来，人们对于光纤通信系统的通信容量的需求正呈级数增长，而大规模集成光学无疑将成为未来大容量高速度光纤通信网络的一个重要组成部分。

微环谐振腔以其功能多样、结构简洁、集成度高等特点已经成为集成光学领域的研究热点。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。

为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

过没想到这项看起来不需要多少技术的工作却是非常需要耐心和精力在两个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多。

虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。

我认为这个收获应该说是相当大的。

觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。

参考文献

[1]王现银,马春生,鄂书林,等.聚合物微环谐振波分复用器传输特性的理论分析.光学学报.2005,2

[2]杨建义,江晓清,王明华.串联双环光微谐振器的滤波特性.光学学报.2003,2

[3]明海,张国平,谢建平.光电子技术.合肥:

中国科学技术大学出版社.1998.1

[4]吴朝霞,吴飞.光纤光栅传感原理及应用.北京:

国防工业出版社.2011.2

[5]孔光明,鄂书林,邓文渊,郭洪波,张大明.陈长鸣聚合物双环谐振滤波器的研究.中国激光.2009.1

[6]刘鑫,孔梅,王雪萍.损耗对串联双微环谐振器滤波特性的影响.光子学报.2011.2

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

单环微环谐振滤波器的滤波特性分析

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日