单环微环谐振滤波器的滤波特性分析光电子课程设计.doc

武汉理工大学 光电子技术 课程设计 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 电子电子 10011001 班班 指导教师 指导教师 洪建勋洪建勋 工作单位 工作单位 信息工程学院信息工程学院 题题 目目 单环微环谐振滤波器的滤波特性分析单环微环谐振滤波器的滤波特性分析 初始条件 初始条件 计算机 Rsoft 软件 要求完成的主要任务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 Rsoft 软件 2 设计单环微环谐振滤波器 3 对单环微环谐振滤波的滤波特性进行分析并使用 Rsoft 软件进行仿真 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 时间安排 2013 12 9 做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明 2013 12 10 2013 12 14 学习 Rsoft 软件 查阅相关资料 复习所设计内容的 基本理论知识 2013 12 15 2013 12 19 对单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 2013 12 20 提交课程设计报告 进行答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 一 绪论 3 二 微环谐振滤波器 4 2 1 微环谐振腔简介 4 2 2 微环谐振滤波器的基本结构 4 2 3 微环谐振滤波器的工作原理 5 2 4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数 6 2 5 单环谐振滤波器传输特性的分析 7 2 6 单环谐振滤波器传递函数的推导 7 三 单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析 9 3 1 Rsoft 软件介绍 9 3 2 模拟环境的基本设置 9 3 3 单环微环谐振滤波器的仿真 13 3 4 单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真 17 四 心得体会 19 参考文献 20 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 1 摘摘 要要 网络时代的迅速发展推动通信技术的飞速进步 密集波分复用 DWDM 技术解决 了管线通信主干网络的大容量问题 现代的光通信向着更高容量 更高速发展 集成 光学将光通信器件模块化 小型化且大规模集成光路是未来光通信的发展方向之一 近些年来光学微环以大规模集成光路的重要结构成为了人们的关注焦点 它功能多 结构紧凑 有着很大的发展潜力 研究微环谐振腔最典型的方法是在麦克斯韦电磁方程组基础上发展起来的耦合模 理论 这种方法无论是在空间还是在时间上都可以用实验的方法来实现 但是在研究 多环系统时显得比较繁琐 不利于实际应用 本文中运用了一种简便 直观的图示法 信号流程图法 SFG 对单环微环谐振腔的滤波特性进行分析 关键词关键词 波导光学 信号流程图 微环谐振腔 光滤波器 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 2 Abstract With the rapid development of communication technologies Dense Wave Division Multiplexing DWDM is being utilized to construct a high capacity optical fiber communication Modern optical communications become higher capacity and develop more rapidly The devices in integrated optics will be modularized The very large scale of integration on photonic circuits VLSI PCs is one of development directions of the optical communications in the future In recent years people focus on the implement of VLSI PCs The mieroring resonators as a basic module with a lot of merits in VLSI PCs have great potential for development The typical researching approach to micro ring resonator is the coupled mode theory which is based on Maxwell equations The method either in space or in time can be expressed by experiment However studying multi ring system with the approach more complicated so it is not fit for practical application In this paper a simple intuitive graphic method called signal flow graph method to analyze the output characteristics of micro ring resonator KeyKey wordword Waveguide optics signal flow graph micro ring resonator 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 3 一 绪论 上个世纪末全球的信息产业飞速发展 随着下一代网络的开发 网络将发展到第 三个世界 及服务层面上的 IP 世界 传递层面上的光的世界和接入面上的无线世界 在这种形势下 人们对信息量的要求日益增加 对信息传输系统带来了压力和动力 高速 高效 大容量的宽带通信网络是现代通信网络发展的趋势 光是面前人们发现 最理想的信息载体 不仅速度快 而且具有很高的带宽 正满足了如今的发展趋势 但是由于目前光信号处理的困难和复杂性 一般的通信仍然只是在大容量的干线上采 用光网络 借助光纤通信 1 实现大容量 超远距离的信号传输 而要对信号进行处 理时 都必须完成光信号到电信号 处理完毕后再将电信号转为光信号 这里的光 电 光转换过程极大地限制了信号的传输速度 而且很大程度上依赖与电信号的处理 速度 无法完全发挥光层面上的优势 因此在如今信息爆炸的网络时代 全光网络呼 之欲出 它不仅消除了光 电 光转换所需要的时间 而且能打破电传输时的瓶颈 使得光网络在通信网络的发展上有着更大的潜力 是当今通信系统的研究方向之一 集成光学对全光网络的发展起到了很重要的作用 集成光学的概念最早是由美国 Bell 试验室的 Milier 在1969年提出 其主要目的是在一个平面衬底上将各种功能的光 器件集成起来 从而实现光学系统的微型化 集成化和规模化 而本论文所研究单环 上下载型微环谐振滤波器的特性 可以极大地方便光通信的器件的使用 必将推动全 光网络的应用 本章研究微环谐振器的基本结构 简要介绍了他的概念和应用 其中重点介绍了 作为光学滤波器的应用 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 4 二 微环谐振滤波器二 微环谐振滤波器 2 12 1 微环谐振腔简介微环谐振腔简介 微环谐振腔基本结构为如图 2 1 所示的单环结构 其他复杂结构由多个单环结构 并联或串联构成 仅由一条直波导和微环组成的微环谐振腔为全通型微环谐振腔 如 图 2 1 a 其特点是结构比较简单 便于分析 它主要用于延迟线 缓存器 调制 器等 全通型微环谐振腔加载一个上 下载波导便成为了上 下载型微环谐振腔 其功 能更加强大 运用更加广泛 当前对微环谐振腔的研究普遍为上 下载型 a 全通型微环谐振腔 b 上下载型微环谐振腔 图 2 1 微环谐振腔基本结构示意图 2 22 2 微环谐振滤波器的基本结构微环谐振滤波器的基本结构 单环谐振器是微环谐振滤波器中最基本的结构 方向耦合器是构成微环滤波器的基 本单元 单环谐振滤波器结构如图2 2所示 它由两个参数相同的方向耦合器和一个微环 波导构成 有不同波长的复信号光从主信道输入端口输入并耦合进入微环后 其中只 有一个波长的光能满足谐振条件而引起谐振 耦合进入下信道或竖直信道后 以这一 谐振波长的输出光强为最大 从而完成了滤波功能 用作光滤波器的单环微环谐振器 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 5 的基本构成包括 一个光微环以及分别与微环相耦合的用于光波输入与输出的光引导 波导 图2 2所示是采用单环微环谐振器的光滤波器常用结构 其中采用了定向耦合器 结构实现两根引导波导与微环间的耦合 在图2 2中 要求光波导为单模波导 定义 和分别为衡量两引导波导与微环间光波耦合量的出入环光耦合系数 单位功率光 1 K 2 K 波由定向耦合器的一支波导输入时 从另一支波导耦合输出的分量 在此 不计入光 波传输损耗 分别为和 1 1 K 2 2 K k 图 2 2 单微环滤波器结构 2 32 3 微环谐振滤波器的工作原理微环谐振滤波器的工作原理 根据上图 2 2 中所示 由光波导耦合模理论可得 1 100 A 1 kAj kB 2 100 B j kA1 kB 式中 为方向耦合器的输入光复振幅 为方向耦合器的输出光复振 0 A 0 B 1 A 1 B 幅 k 为方向耦合器的功率耦合比 设微环波导的周长是 l 则有 3 21 B B expjexpl 2 式中 为光波经过 l 2 弯曲波导的相位延迟 为微环波导的弯曲损耗系数 1 B 经第二个方向耦合器的耦合 得到 4 32 1BkB 5 32 Cj kB 6 03 exp BBj 0 A 1 A k 3 C 1 B 0 B 2 B 3 B k 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 6 和分别是微环共振滤波器的下行端 drop 和上行端 throughput 的滤波 3 C 1 A 输出振幅 联立以上六个公式求得微环谐振滤波器的归一化功率输出 7 2 24 1 224 0 1 12cos 12 1 cos 1 thr Akuu P kku A 8 2 3 2 0 dro C P A 22 2 222 1 1 4 1 sin 2 k u k uk u exp 2 2 ul 分别表示波导的弯曲损耗和归一化相位变化 微环共振滤波器的滤波效果主要由 功率耦合比 k 和微环波导的弯曲损耗决定 2 42 4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数微环谐振滤波器传输光谱的性能参数 为便于我们下一步的研究分析 在这里我们介绍一下表述微环谐振滤波器传输光 谱性能的五个基本的参数 1 3dB 带宽或者半高全宽 FWHM 即谱线功率相对于峰值下降 3dB 的时候 谱线对应的两波长之差或者透射率下降为最大值的一半时所对应的两波长之差 对于 无损耗的微环谐振腔 3dB 带宽主要由耦合系数和光程差来决定 2 自由光谱范围 FSR 指光谱中两个相邻的谐振峰之间的波长差 用来表 征输出光谱周期性的参数 3 插入损耗 Insertion Loss 指滤波器的输出光功率相对于输入光功率的 损失量 插入损耗要越小越好 其表达式为 9 out in T Insertion 10log T 4 消光比 Extinction ratio 指光学滤波器在所有偏振状态下的最大输出 功率和最小输出功率之比 可以用公式表示为 10 max min T Extinctionratio 10log T 5 形状因子 用来描述滤波器输出端和下载端的输出谱线的 其被定义为 11 1dBbandwidth Shapefactor 10dBandwidth 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 7 2 52 5 单环型谐振滤波器传输特性的分单环型谐振滤波器传输特性的分析析 按照上一节的阐述 我们可以把单环上 下载型谐振滤波器结构看成如图2 2所示 由两个2 2的耦合器和环形反馈腔构成 其信号流程图则可以表示成为图2 5所示 2 C 1 js 2 js 图2 5 单环上下载谐振滤波器的信号流程图 其中 为输入端结点 和分别表示输出端结点和下载端结点 第 1 E z 2 Ez 8 E z i 个耦合器的耦合系数用表示 而每个耦合器的插入损耗都可以用 来表示 那么 i K 传输路径的增益可以表示为 同理 耦合路径的增益则可以由 1 1 ii CK 来表示 光沿着环形反馈腔 闭合路径 传递的增益与全 1 1 ii jsjk 通型单环谐振腔相同 同样 其自由谱宽也可以由 11 式来表示 2 62 6 单环微环谐振滤波器传递函数的推导单环微环谐振滤波器传递函数的推导 平行信道单环上 下载型谐振滤波器的输出端和下载端相对于输入端 2 Ez 8 E z 的传递函数可以由梅森公式推导得出 1 E z 8 E z 1 C 1 E z 2 Ez 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 8 A 从输入端到输出端的传递函数 根据图 2 5 可知 其中包含一 21 EzE z 个独立的闭环 可以表示为 12 11 2 Lc c 对于输出端来说 从结点 1 到结点 2 的向前路径 以及和它互不接触的闭环的图 行列式可以表示为 13 2 2 1k Tc s 1 1 14 1 21 1 211 2 11 t Tc Lc c 按照 10 式 依梅森公式我们可得信号流程图的图行列式 21111ccL 15 将 13 15 式代入 11 则图2 5所示的输出端的传递函数可以表示为 16 312 11 2 1 t Ecc H Ec c B 从输入端到下载端的传递函数 对于下载端来说 仅有一个 81 E zE z 向前路径 而且与 13 式所给出的仅有的一个闭环相接触 因此 我们可以得出 17 11 2 1 1 d Ts s 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 9 三 三 单环微环谐振滤波器的滤波特性单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析仿真与分析 3 13 1 RsoftRsoft 软件介绍软件介绍 RSoft 是一款非常实用的光波导仿真软件 其中包含了 BPM FDTD FEM 等多种算法 使得它能够适用于各种不同要求场合 本课程主要使用 RSoft 算法集中的 BPM 算法对 光波导和简单光波导器件进行仿真计算 从而对光在波导中的传输有一定得了解 下载网站上的压缩包 解压缩后运行 Beamprop5 1 8 安装文件文件夹中的 Setup exe 即可进行安装 安装完后打开 Rsoft CAD layout 即出现如下图所示的 CAD 界面 此界面是定义波导结构和下一步计算的前提 图3 1 CAD 界面 3 23 2 模拟环境的基本设置模拟环境的基本设置 在软件中 点击左上角的 New Circuit 按钮 点击后弹出基本设置对话框 波 导的一些基本特性参数需要在此设定 Waveguide Model Dimension 项选择 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 10 2D Simulation Tool 项由于此次设计的波导中有环形波导 所以此项选择 FullWAVE FDTD 项 包层折射率为1 包层和芯层的折射率差为2 5 通信波长为 1 5um 参数设置如图3 2所示 图3 2 参数设置界面 在设置好全局参数之后接下来就需要对 Time Monitor 的参数进行设置了 点击菜 单栏的 Options Insert Time Monitor 进入设置界面 如图3 3所示 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 11 图3 3 Time Monitor 设置界面 在 Time Monitor 的设置界面中首先是位置设置 都选用 offset 方式 接下来是 时域观察选项 选择 Power 即选择观察光功率 Time Average 项选择 Yes 下面的 SpatialOutput 项也选择 Power 在右侧的 Frequency Analysis 项选择 DFT 最后点击 OK 设置好参数之后即可开始进行单环微环谐振滤波器的绘制 最后绘制好的滤波器 图形如下图3 4中所示 图3 4 单环微环谐振滤波器光路图 设置光源的特性和观察的路径 首先设置路径 单击左侧工具栏中的 Edit 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 12 Pathways 按钮 单击后左侧工具栏会变成路径设置栏 点击 New 按钮 会新建一 个路径 再左键点击我们画好的波导 使路径与波导相一致 此时波导会变绿色 此 次我们定义一条 Pathway 来作为后面 Launch field 的输入波导 如图 3 5 所示 图3 5 设置路径跟波导一致 最后单击左侧工具栏中的 Edit Launch Field 按钮进行光源的设置 单击后会 弹出输入光源的设置对话框 选取波导的基模即可 如图 3 6 所示 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 13 图 3 6 Edit Launch Field 设置界面 设置完成点击 OK 至此 模拟环境已基本设置完毕 再模拟前 要需先将文件保存下来 点击左上角 Save 按钮即可 注意在文件保存的路径中不允许出现空格和中文 3 33 3 单环微环谐振滤波器的仿真单环微环谐振滤波器的仿真 为了验证波导参数的正确性 我们需要查看波导横截面结构 点击左侧工具栏下 方的 Display Index Profile 按钮 选择 Display Mode 为 Contour Map XZ 模式 如下图 3 7 中所示 输入要保存文件的前缀名 并点击 OK 即可看到波导横 截面的折射率分布 最后波导折射率分布图如图 3 8 所示 折射率曲线图如图 3 9 所 示 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 14 图 3 7 仿真参数设置界面 图 3 8 波导横截面的折射率分布 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 15 图 3 9 波导横截面的折射率曲线 从折射率曲线我们可以看到有四条竖线折射率达到了 3 5 其他位置的折射率都为 1 这是因为这四条竖线分别属于两条直波导和中间的环形波导所在的截面的折射率是 3 5 而背景折射率是 1 所以才会显示这种图形 最后便是波导的仿真操作了 点击工作截面左侧的 Perform Simulation 在出现 的设置界面中设置好各项参数 如图 3 10 所示 设置好参数之后在 Output Prefix 中 输入保存的文件名 最后点击 OK 就能出现仿真的显示界面 单环微环滤波器的仿真图 如图 3 11 所示 频谱分析图如图 3 12 中所示 图 3 10 Perform Simulation 设置界面 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 16 图 3 11 单环微环谐振滤波器仿真 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 17 图 3 12 频谱分析 从 3 11 的滤波器仿真图中可以看出 两种模式的输入光波最后在输出的光波中有 一种光功率一直是 0 而另一种一直在接近 1 的附近 这表明经过微环滤波器之后其中 一种模式的光波被滤掉了 而另一种光波得以通过 仿真结果表明 该滤波器微环与 波导发生了耦合并产生谐振 从输入波导中选取了预测频率 输出波导频率与预测数 值相同 该单环微环谐振滤波器确有滤波作用 3 43 4 单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真 在上一步的仿真中只是取一种波导参数的结果 如果需要改变波导参数 则需要 重新作仿真 所以接下来需要进行的是参数扫描仿真 点击软件工作界面的 Perform Parameter Scan 进入参数扫描仿真的界面 如图3 13所示 图3 13 参数扫描仿真设置界面 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 18 在设置界面依次设置好需要扫面的变量名称 起始值 终止值 扫描间隔以及保 存的文件名称之后点击下方的 OK 便能让计算机自动进行扫描 如上图3 13中 扫描的 变量名为 delta 折射率之差 扫描起始值为1 5 终止值为3 5 扫描间隔为0 1 保存文件的名称为 indexscan1 最后扫描完成后的曲线图如图3 14中所示 图3 14 delta 变量的参数扫描结果 从上图3 14中可以看出 本次扫描从1 5到3 5一共进行了20次 从扫描的结果可 以看到 在本次扫描的精度内 delta 折射率之差 在1 7左右时 单环微环谐振滤 波器的滤波效果最好 武汉理工大学 光电子技术 课程设计 19 5 心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决