对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析要点VIP

1、武汉理工大学光电子应用课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1003 班指导教师：娄平工作单位：信息工程学院题目:对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析初始条件：计算机、 beamprop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。（2）对对称双环微环谐振滤波器进行理论学习和特性分析。（3）对对称双环微环谐振滤波器的滤波特性进行beamprop 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

2、用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：第 1 天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。第 2-5 天学习 beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。第 6-9 天对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。第 10 天提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学光电子应用课程设计说明书目录摘要 .IAbstract .II1绪论 .12微环谐振滤波器 .22.1微环谐振腔简介 .22.2微环谐振滤波器的工作原理.22.3双环谐振腔的滤波特性 .62.3.1单环的传输特性 .62.3.2双环的

3、传输特性 .73 Beamprop 和 Fullwave 介绍 .84滤波特性仿真.94.1 Beamprop 参数设置步骤 .94.2检查指数资料 .114.3分析建立 .124.4仿真 .125心得体会 .15参考文献.16武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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

4、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I武汉理工大学光电子应用课程设计说明书AbstractWith the development of optical communication technology, optical communication network needs to constantly improve the performance and reduce the operation cost, its core techno

5、logy is that the optical waveguide device miniaturization, integration and scale, at the same 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

6、simulation, Fullwave is a very strong practical optical applications, contains the Fullwave software, the simulation of the principle of the resonant filter and filter characteristics.Keywords: resonant filters、 Fullwave、filter characteristic simulationII武汉理工大学光电子应用课程设计说明书1 绪论光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传递信

7、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，2009 年的诺贝尔物理学获得者高琨(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，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

8、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

9、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。武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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

10、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

11、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2武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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K 1。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。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，b1t1k1a1(2.1)b2x1.t1a2式中， t1为振幅的传输系

12、数， k1为振幅的耦合系数，在耦合无损耗的情况下22k1 ， 由式 (21)得， b1t1a1 k1a2 ，又因 a2Ab2 e j ，其中护为光传t1k11， k1输一周的相位，2 neff L(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，3武汉理工大学光电子应用课程设计说明书b1t1t2 Ae ja1(2.3)1t1t 2 Ae jI Bb12t12t 222t1t 2 A cos(2.4)I Aa121t

13、12t 222t1t 2 A cos当环的两个耦合区对称耦合时，令22=K, t12= t 22=T时， K+T=1 K 表示k1= k2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 23变为I B1(1TA)K(2.5)TA)222)I A(14TAs i n(C端口的输出为，b4k1k2 Ae j / 2a1(2.6)1t1 t2 Ae jI Cb4222k1k2 A(2.7)I Aa121t12t222t1t2 A cos当环的两个耦合区对称耦合时，I CK 2 A(2.8)I A(1 TA) 24TA sin2( 2)把式 (22)代入到式 (25)， (28)中

14、，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。4武汉理工大学光电子应用课程设计说明书图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(28)，推导过程如下，b4k1k2Ae j / 2 (1 At 1t2 e jA2 t12t 22 e j 2)a1(2.9)k1k2 Aej / 2 1( At1t 2 e j )k1At t2 e j当 k时，式 (29)变为下式，b4k1k 2Ae j / 2(2.10)a11At1t2 e j

15、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(29)式取绝对值的平方，得5武汉理工大学光电子应用课程设计说明书2k1 k2Ae j / 22b4(1A2k2 k2k2 Akk kcosk )(2.11)a1 21At1t 2e jt1t 2t1 t 2式(2 11)中由于项 (1 A2k t12 kt 22k2 Akt1kt 2k cosk ) 的存在，当 k值较小的时候， (210)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

16、传输特性如图 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，图 2.4：单个微环谐振器bbt 1t 2 ej1t 1 t2 ej/ 21k1 k 2ej/ 24t 1t 2 ej1aa11(2 12 a)(2 12 b)6武汉理工大学光电子应用课程设计说明书2.3.2 双环的传输特性如图 28，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

17、传输系数和耦合系数。先看靠近Drop端的环，由公式 (212 a)可得，t 2t 3e jb31t1t 2 e j a3T2 a3(213a)把b3与 a3间的传输系数定义为 T2，再看上面的环，由公式(212 a)可得 Though端的输出，t1T2 e j(213 b)b1t1T2 ej a11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(212 b)，得a3k1e k / 2j a1K1a1(214a)t1T1e1再看靠近输出波导的环，由公式(2 12 b)可得 Drop端的输出，a6k2 k3 e j / 2K1 k2 k3 e j / 2(214

18、b)1 t 2t3 ej a31 t 2t 3eja17武汉理工大学光电子应用课程设计说明书3 Beamprop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

19、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。8武汉理工大学光电子应用课程设

20、计说明书4 滤波特性仿真4.1 Beamprop 参数设置步骤打开 Beamprop 软件所在文件夹， 打开 CAD Layout 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 “FreeSpace Wavelength”、“BackgroundIndex ”、“ Index Difference和 “”Waveguide Width参”数，参数设置如图4.1 所示。图 4-1 BeamProp 参数设置然后点击 “Edit Symbols按”钮进行变量定义，如图4.2 所示：图 4-2变量定义9武汉理工大学光电子应用课程设计说明书然后进行滤波器的绘制，

21、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10武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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“Compute Index Profile”按钮就可查看并修改了。如图4.6 所示：图 4.6指数资料11武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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

22、“Edit Pathways ”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 “Perform Simulation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12武汉理工大学光电子应用课程设计说明书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）13武汉理工大