whut单环微环谐振滤波器的滤波特性分析DOC

1、武汉理工大学光电子应用专项实践说明书专项实践任务书学生姓名： 真 知专业班级:电子1201指导教师： 灼 见工作单位：信息工程学院题 目:单环微环谐振滤波器的滤波特性分析初始条件：具有光电子技术的基本理论知识及较强的实践能力；对光纤技术有一定的了解；计算机；Fullwave软件。要求完成的主要任务：1. 学习Fullwave软件；2. 设计单环微环谐振滤波器，并对其滤波特性进行分析；3. 用Fullwave软件对单环微环谐振滤波器进行仿真，并结合相关理论解释仿真结果；4. 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完成课程设 计报告，正文10-15页，用A4纸打印。时间安排：1.

2、 2015年6月29日布置课程设计任务，完成选题；2. 2015年6月30日至2015年7月3日学习beamprop软件，完成资料查阅，复习与选题内容相关的基本理论知识；3.2015年7月4日至2015年7月7日对单环微环谐振滤波器进行设计仿真工作， 完成课程设计报告撰写；4.2015年7月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名:目 录摘要 IABSTRACT II一、绪论 1二、微环谐振滤波器 22.1微环谐振腔简介 22.2微环谐振滤波器的基本原理 22.3单环微环谐振滤波器谐振特性 3三、单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析 43

3、.1 FSoft软件介绍 43.2模拟环境的基本设置 53.3单环微环谐振滤波器的仿真 8四、心得体会 11参考文献 12武汉理工大学光电子应用专项实践说明书摘要随着人们对信息的需求越来越多，提高光纤通信容量和速度已经成当前亟待解决的 问题。大规模集成光学作为未来全光网络的重要组成部分，其发展无疑对这一问题的解 决有着重大意义。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。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 Fullwave软件的介绍、微环谐振滤波器的原理 以及其滤波特性

4、仿真。关键词：波导光学；微环谐振腔；光滤波器I武汉理工大学光电子技术专项实践说明书AbstractWith more and more in creas ing dema nds for in formati on, enhancing the capacity and speed of the optical fiber com muni cati on has become a problem to be urge ntly solved. Large-scale integrated optics is an important part of all-optical networks,

5、 its development un doubtedly has great sig nifica nce in sol ving this problem.The micro-ri ng res on ator with multiplex function, structural simplicity and high integration has become a research focus in the fields of in tegrated optics.This article describes the spectrum of the resonant filter F

6、ullwave software simulation, Fullwave is a very strong practical optical applications, contains the Fullwave software, the sim ulation of the principle of the resonant filter and filter characteristics.Key word: Waveguide optics; flow graph； micro-ri ng res on atorII武汉理工大学光电子技术专项实践说明书一、绪论21世纪是一个信息爆炸

7、的时代，信息技术已经成为人们日常生活的关键技术之一， 并随着人们信息交流形式的日益广泛，信息交流量的急剧增多，迫切的需要进一步的提 高网络通信容量。光纤通信是采用光纤进行信息传输的一种技术，伴随着20世纪70年代高性能半导体激光器和低损耗光纤出现而得到了广泛的研究和发展。它具有频带宽、损 耗低、泄露小、抗电磁干扰性能强和原材料来源丰富等特点。特别是随着20世纪90年代DWD的广泛应用，使光纤的信息传输容量得到了极大地提高。目前， 400Gbit/s系统已 经实用化，而在实验传输速度已经实现了 10 Tbit/s ，这说明光纤通信网络在信号传输 领域有着无与伦比的优势。但是当前在信号交换时依然需

8、要进行光/电和电/光之间的转 换，这不仅极大地限制了光纤系统的通信速率和网络资源的利用率，而且使设备复杂， 成本提高。考虑到这些现实，有关专家提出了全光网络的概念。全光网络是指信号从源节点到目的节点的传输和交换全部以光的形式完成，以光节 点取代了现有网络的电节点，使网络中不存在光电或电光转换过程，从而充分的发挥光 纤通信的速度优势。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实验室的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。而本次光 电子技术专项实践所研究的单环微环谐振腔

9、正具有集成度高、结构紧凑、功能多样、插 入损耗小、串扰低等特点，因此近几年逐渐成为了集成光学领域的研究热点。1969年, Bell实验室的Marcatili在他的文献里提出微环谐振腔的概念和结构。但是由于波导平面工艺水平的限制，微环谐振腔的研究与应用在很长一段时间内一直停 滞不前。直到近些年，随着制作工艺的迅猛发展，基于微环谐振腔的各种功能性器件才 得以实现，微环谐振腔在光波导器件中的重要作用也逐渐显现出来了。如今微环谐振腔 已成为国内外学者研究热点，特别是在滤波器和波分复用器方面做了大量的理论和实验 研究2。本次专项实践将阐述微环谐振滤波器的原理以及应用Fullwave软件研究其滤波特性。二

10、、微环谐振滤波器2.1微环谐振腔简介微环谐振腔基本结构为如图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1a）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。 而上/下载型波微环谐振腔又 根据两信道波导的位置可分为平行信道（如图1b）和竖直信道（如图1（c）两种结构*愉人输入44r卜菠微环谐振腔基本结构示意图图1输人152.2微环谐振滤波器的基本原理2所示，

11、它由两根直波导微环谐振滤波器具有非常简单，紧凑的结构，其结构如图和一个环形的弯曲波导构成。如图 2,光从通道1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,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

12、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 oB 输出-2、耦合区耦合区通道2通道1下 2、 4A输入1、2、 3图2环型波导谐振腔示意图2.3单环微环谐振滤波器谐振特性光在微环中传输时，只有那些绕微环传输一周时所产生的光程差为波长的整数倍的 光才能产生谐振而加强，即满足(1)m m = 2 ：neff R或者说只有那些绕微环传输一周时所产生的相位差为2二的整数倍的光才能产生谐振而加强，此时的微环谐振方程2 二R ：二 2 二m（ 2）式中，R为微环半径，neff为微环波导中模的有效折射率，1为传播常数，-m为谐 振波长，m为谐振级数。如图3所示，含有不

13、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的输出光强为最大，从而完成了滤波光能File Edrt Vitw Rju 訓 HelpContour of Ey-6-5-43-2012X图3 FDTD分析单环结构署Full WAVE - Scan In Progre: 1acmhda=1.59波导耦合的环型滤波器本质上是F-P腔，2条直波导有相同的反射率* = d二r1/2。F-P腔的光学透射和反射可以表示为 2上=tmax上=rmin + F sin Q / 2)(3)I0 10 Fsin2(；/2)

14、， l0 一 1 F sin2(；/2)其中，tmax=(1-r2)A1-rA2),rmin =(1-A)2L(1-rA)2,F =4rA/(1-rA)2,A = exp(-： L),厂-(2二/) n(2L),L二二R,r =1-pc，n为环形滤波器的折射率，:-为环形滤波器的总损耗。在没有损失的情况下A=1.0, tmax=1，rmin =0。图4为环形滤波器的传输谱 ：C图4微环谐振腔传输特性曲线三、单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析3.1 Rsoft 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,FE等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。Fu

15、llwave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BeamPRO与FullWAVE软体，两者实际上是具有互补之作用。其主控程序为BeamPRO之CADLayout 系统，用来设计光波导组件及光路，亦即 BeamPRO与 FullWAVE共享同一个CAD Layou 程序。3.2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

16、Dimension项选择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），通信波长为变量lambda。参数设置如图5所示和 Startup WindowGLOBAL SETTINGSWaveguide Model Dimension:金 2D 厂 3DHadial Calculation:Effective Index Calcuhtion：Polaization：TE TMSimjlation Tool:r BeamPROP/BPMIAyE/FDTpGratiinsMODBandS

17、OLVEC DifhactMODBPM Options:Vector Mode: None C Semi P FullBidirectional Calculation:厂FDTD 0ptioris：D isparsion/N cnlin aarity:3D Structure Type:Cover Index：Slab IndecSlab Height：Anisotropic：厂|background_inde+(|0EMit L刖恥Edit T ensors -Free S pace Wavelength: Eackground Indew: Index Difference: Waveg

18、uide Width: Waveguide Height: Profile Type:INITIAL VIEWING DIMENSIONSXMin;Fso-ZMin: |tTX Max:so-Z阳砒wooOKCancel图5参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/lnsert/Time Monitor进入设置界面，如图6所示。图6 Time Mo nitor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 Avera

19、ge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7中所示图7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”EditPathways”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8所示。图8设置路径跟

20、波导一致最后单击左侧工具栏中的”Edit Lau nch 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9所示。图 9 Edit Launch Field设置界面设置完成点击” 0K”。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。3.3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。先设定自由波长长度为1.5um。点击左侧工具栏下方的” Display Index Profile ”按钮，选择 Display Mode 为

21、” Con tour Map (XZ) ”模式，如下图10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11所示，折射率曲线图如图12所示。图10仿真参数设置界面e abPROP CompuT aT on Casplelt &loE-FEOP CoB.put at ion. Co&plet ed图12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

22、操作了，点击工作截面左侧的 Perform Parameter Sea n,在出 现的设置界面中设置好各项参数。 如图13所示，设置好参数之后在Scan Output Prefix 中输入保存的文件名，最后点击 0K就能出现仿真的显示界面。Scan VariableINNER ITERATIONVariable Name:lambdaOUTER ITERATIONSlatting Value:i?45Ending Value:1.55|o(0Increment:0.0050Scan Output Prefix:|indexscanSMeta Output Prefix:Pre-Proces?

23、Cmd:Po-$bProcesj Crd:Run Option.DefaufcPlot Dyrdmica:Mode Set:Minimize SimiiationcScript MedeRun Script：DefautCaricel图 13 Perform Parameter Scan设置界面如图14所示，从仿真的界面可以清楚的看到发生谐振的光会从另一波导输出，并且能量在环里面大量地累积，累积的能量大小有环的品质因素决定。而不满足谐振条件的 光则不会从另一波导输出，而呈直通态，即仍然从原来的波导输出。固| FullWAViE 宜Rii Tn Progrrs: iambda=.3file dw

24、t Mtw Run HelpContouir Map of Ey10兰連匸OEE图14单环微环谐振滤波器仿真最后通过以谐振波长为中心，从1.45um到1.55um 共扫描20次不同波长的传输特 性，得到单环微环谐振滤波器的传输谱如图 15。操作过程中选取的扫描次数越多，图形 越精确。图15单环微环谐振器传输谱Indlno -I2CO3四、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、分析和解决实际问题，锻炼实 践能力的重要环节，是对实际工作能力的具体训练和考察过程回顾起此次课程设计，至 今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可 以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在 书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要 的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中 得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中发现了自 己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固通过这次课 程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。通过本次课程设计，单环微环谐振滤波器的滤波特性， 并且初