对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析

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。全文用

2、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17目录摘要IAbstractII1 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 双环的传输特性73 Beamprop和Fullwave介绍84 滤波特性仿

3、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

4、词：谐振滤波器、Fullwave、滤波特性仿真AbstractWith 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 sa

5、me 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 simulation, Fullwave is a very strong practical optical applications, contains the Fullwav

6、e software, the simulation of the principle of the resonant filter and filter characteristics.Keywords: resonant filters、Fullwave、filter characteristic simulation 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，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.Hc

7、kman) 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、

8、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

9、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

10、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22。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

11、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， (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(21)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+

12、T=1K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23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(22)代入到式(25)， (28)中，选取一定的半径R，耦合系数K，损耗因子A，就可得如图23，可得到微环端口B，C的输出特件曲线。图23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， (2.9)当时，式(29)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(29)

13、式取绝对值的平方，得 (2.11)式(211)中由于项的存在，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 (212 a) (212 b)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

14、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(212 a)可得， (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， (213 b)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 (214a)再看靠近输出波导的环，由公式(212 b)可得Drop端的输出， (214b)3 Beamprop和Fullwave介绍Beamprop是一个高度集成了计算机辅助设

15、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

16、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4.1 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“New Circuit”，然后修改其中的“Free S

17、pace Wavelength”、“Background Index”、“Index Difference”和“Waveguide Width”参数，参数设置如图4.1所示。图 4-1BeamProp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

18、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“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“Monitor Component”设为“MajorBackward”。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 心得体会在做本次课程设计的过程中，