对称双环微环谐振器滤波特性分析(光电子课程设计)

1、课程设计任务书学生姓名： 周 鑫 专业班级： 电子科学与技术0901 指导教师： 葛华 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、Fullwave软件要求完成的主要任务: 1.课程设计工作量：2周2.技术要求：学习Fullwave软件设计对称双环微环谐振器模型对对称双环微环谐振器模型进行仿真工作。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。时间安排指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录目录 0摘要 11 绪论 32 理论模型与公式推导 42.1 振幅耦

2、合比率的推倒 4 4 52.2 并联对称双环谐振器输出光谱的推导 62.3 串联对称双环谐振滤波器输出光谱的推导 73 双环谐振器滤波特性分析 93.1 并联对称双环谐振滤波器的特性分析 93.2 串联对称双环谐振滤波器的特性分析 93.3 结论 104 RSoft仿真对称微环谐振器 114.1 软件CAD介绍 114.2 模拟环境的基本设置 114.3 对称微环谐振器仿真模拟 135 心得体会 15参考文献 16摘要设计一种新型环谐振器，其基本结构由圆角正方形波导与条形波导组成，根据波导光学的耦合模型理论，推导出双环串联和双环并联的圆角正方形微环谐振器的光强传递函数，并通过数值模拟分别获得这

3、两种模型的谐振器的输出特性。结果表明，与传统的圆环形谐振器相比，圆角正方形结构微环谐振器的输出光谱的通带宽、谐振峰平坦、自由光谱区范围大，更接近理想的“箱型”波普，而且圆角正方形结构相比于圆环形结构，其可变参数增多，更有利于期间的优化设计。关键词：波导光学；微环谐振器；传输光谱；波导耦合Abstractthe design of a new type ring resonator, its basic structure is composed of rounded square waveguide and waveguide components, according to the theo

4、ry of optical waveguide coupling model, deduced from the double tandem and double parallel rounded square micro ring resonator intensity transfer function, and the numerical simulation were obtained with the two model of the resonator output characteristics. The results show that, compared with the

5、traditional annular resonator, rounded square structure micro ring resonator output spectrum width, resonant peak flat, free spectral range, much closer to the ideal of "box" pop, and rounded square structure compared to a circular structure, the variable parameter increases, more conduciv

6、e to the optimization period design.Key words: optical waveguide; resonator; transmission spectrum; waveguide coupling1 绪论随着现代光通信技术的发展，高集成度的光学器件在高速大容量通信网络中的应用日益广泛，因而，对各种功能的集成光学器件的研究受到越来越多的重视。自从 1969年 Marcatili1提出谐振微环的概念以来，光学微环谐振器由于尺寸小、结构紧凑、损耗小和良好的波长选择性而获得了广泛的应用，如光信号处理、滤波、波分复用、路由、调制和开关等。在实际应用中，微环谐振器的

7、理想输出光谱应为“箱形 ”波谱，然而，从目前报道的单环结构谐振器的研究来看，还不能完全满足此要求。为此，许多学者通过串联或并联多个微环的方法，来解决单环存在的缺点 ，或者在圆环的基础上通过参数寻优或改变微环的常规排列来优化输出波形。文中尝试改变微环本身的结构来达到优化设计的目的，即将传统的圆环改为圆角正方形。首先，以耦合模理论为基础，推导圆角正方形结构的并联双环与串联双环谐振器的光强传递函数；以DNA聚合物为芯层材料，数值模拟输出光谱，并与对应条件下的圆环形谐振器的情形进行比较。结果表明，圆角正方形微环谐振器具有较好的光谱输出特性。 2 理论模型与公式推导2.1 振幅耦合比率的推倒双环结构的谐

8、振器中存在着微环间的耦合和微环与信道间的耦合。首先，考虑微环波导间的耦合情况，如图1 所示。其中，图(a为侧面，图(b为截面。微环波导的芯层宽度均为a，厚度为b，折射率为n1，下包层及左右包层的折射率为n2，上包层的折射率为n3。令A(L、A(-L、B(L、B(-L分别为如图所示处光波的输入输出振幅，则有10：式中：k和t分别为振幅耦合比率和振幅透射比率,表示为：图1 微环波导间的耦合示意图当两个弯曲波导耦合时，耦合系数可表示为：式中：和分别表示两个微环中光功率传输方向的单位矢量在z方向上的投影； K(z为两个直波导平行耦合时的耦合系数。利用几何方法，耦合系数可以看成是1的函数，即K(Z=K(

9、1 ，取L=R1，可得：上式中的k(1 可表示为：其中：且，是TE 模的传播常数，分别为覆盖层和底层中的消逝系数；为波导芯层中的波数，分别满足以下特征方程：微环与信道的侧向耦合如图2 所示。图2 微环与信道波导的耦合示意图实际上，这是微环与微环侧向耦合的特例。即令2=0，于是，得到：相应的平行耦合系数为：2.2 并联对称双环谐振器输出光谱的推导平行信道并联双环谐振滤波器的结构如图3 所示。图3 并联双环谐振器结构图它由两个并联的微环和两条平行的信道组成。令微环中圆角波导的曲率半径为R， 直波导长度为S， 信道长为2L1+L2，其中L1为信道端口到与其临近合点的距离，L2为同一信道上两耦合点间的

10、距离。微环与信道的模式传播常数皆为，微环波导与信道波导模的复传播常数分别为-jR和-jL，其中R为弯道波导的传播损耗系数，L为直道波导的传播损耗系数。图中，amn和bmn分别表示各波导在分界面的振幅。a11、b12和b41分别表示上信道输入输出端口处光波输入输出振幅以及下信道输出端口处光波输出振幅。由上信道输入端口至输出端口的光强传递函数B2 和由上信道输入端口至下信道输出端口的光强传递函数D2，分别为：式中：则下信道传输光谱定义为：2.3 串联对称双环谐振滤波器输出光谱的推导串联双环的结构如图4 所示。微环圆角波导的半径分别为R1和R2，信道长为2L1，其中L1为输入端口到耦合点间的距离。图

11、中，通过微环中心作与平行信道垂直的截面，上下两条信道和微环中光波通过上述截面的输入输出振幅分别设为am和bm。a1、b1和b6分别为左信道的输入输出端口处光波的输入输出振幅及在右信道的输出端口处光波的输出振幅。令微环与信道之间的振幅耦合比率为1，微环与微环之间的振幅耦合比率为K2， 相应的振幅透射比率为：和。图4 串联双环谐振器结构可以得到从左信道输入端口至输出端口的光强传递函|B²| 及左信道输入端口至右信道输出端口的光强传递函数|D²| 分别为：式中：右信道的传输光谱定义为：3 双环谐振器滤波特性分析3.1 并联对称双环谐振滤波器的特性分析设定振幅耦合比率=0.3时，圆

12、角正方形并联双环谐振滤波器和圆环形谐振滤波器的输出光谱有，圆环形结构输出光谱的3dB 带宽为0.92 nm,-1 dB/-10 dB 带宽比值为0.329, 而圆角正方形波导并联双环的输出光谱的3 dB 带宽为1.33 nm,-1 dB/-10 dB 带宽比值为0.867， 其谐振峰更加平坦，相对圆环形结构，有助于消除二阶色散效应，减小滤波失真。圆角正方形结构与圆环形结构的自由光谱区（FSR）范围的区别。圆角正方形FSR22nm,而圆环结构FSR14.8 nm。在波分复用系统中，有时需要在很宽的频谱范围内对单一频率滤波， 但增大FSR 范围需要减小微环尺寸，这给制作工艺带来一定困难，由以上结果

13、可见，圆角正方形的微环谐振器可在不减小尺寸的情况下有较大的自由光谱区范围，为器件制作带来便利。根据圆角方形结构下信道的输出光谱。自由光谱区范围随着微环直道长度的改变而改变， 例如当s=R 时，FSR 约为22nm；s=4R 时，FSR 约为8 nm。另外，随着微环直道的加长，输出光谱的旁瓣被抑制得更低， 例如当s=R 时， 非谐振峰达到-10 dB, 而s=4R 时，非谐振峰约降为-19 dB,同时，光谱通带宽度相对减小。因为直道比环道容易制作，所以通过改变圆角正方形结构中直道的长度即可实现设计要求。3.2 串联对称双环谐振滤波器的特性分析设定环间振幅耦合比率1=0.2，环形与信道波导耦合比率

14、2=0.02 时， 圆角正方形串联双环谐振滤波器和圆环形谐振滤波器的输出光谱可知，相对于圆环形结构，圆角正方形结构的输出光谱在中心频率附近更加平坦， 其3 dB带宽为0.2 nm,-1 dB/-10 dB 带宽比值为0.560， 而圆环形结构的3dB 带宽为0.13 nm,-1 dB/-10 dB 带宽比值为0.436。图9 给出了圆角正方形结构与圆环形结构的自由光谱区范围， 圆角正方形的FSR22 nm,而圆环结构的FSR14.8 nm。可见，圆角正方形双环串联结构相对与圆环形结构的特性变化与圆角正方形双环并联结构相同。从圆角正方形结构下信道的输出光谱有，自由光谱区范围随着微环直道长度。的改

15、变而改变，例如当s=R 时，FSR 约为23 nm,而当s=4R 时，FSR 则减小到9 nm 左右。此外，也可以看到，随着微环中直道波导长度的增大，谐振峰的滚降特性得到了明显的改善。3.3 结论文中针对圆角正方形微环谐振滤波器结构，根据耦合模理论，模拟分析圆角正方形波导组成的并联对称双环和串联对称双环模型的输出谱特性，并与圆环形结构的输出特性进行对比。通过比较发现，不管是双环并联对称还是双环串联对称情况，在同样的设计参数下，圆角正方形结构的输出谱具有更加平坦的谐振峰、较大的自由光谱区和较大的带宽，更接近理想的“箱形”波谱。特别是圆角正方形中的直波导长度参数，给器件设计带来了更多的冗余度，为器

16、件的制备提供了工艺便利。4 RSoft仿真对称微环谐振器4.1 软件CAD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C:Program FilesRSoftbin文件夹中的bcadw32.exe，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5 CAD界面4.2 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

17、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。选着2D，包层折射率为1（包层和芯层的折射率差为0.01），通信波长为1.5um。画出对称微环谐振器结构图。图6 对称微环谐振器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 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），如图13。图7 设置路径与波导一致点击”Monitors”按钮，在弹出的小对话框中设置与路径相匹配的探测器。完成后，点击对话框的”OK”按钮回到路径设置模式，再点击左侧的”OK”按钮

18、回到画图模式。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。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。4.3 对称微环谐振器仿真模拟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，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。最后进行波导光传播的模拟。点击左侧工具栏下方的”Perform Simulation”按钮，并按图进行参数设置，输入要保存文件的前缀名，最后点击”OK”。图8 波导横截面的折射率分布仿真如图9所示。图9仿真图最后仿真图如图10图10 最后仿真图5 心得体会经过为期一个星期的课程设计，完成了选题、理论基础、软件仿真、以及撰写实验报告，几天的辛苦终于收的了最后的成果。此次选择的题目是“对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析”，选题之后在