微型环状共振器的设计

1、学校代码：10128学 号： 课程设计说明书题 目：微型环状共振器的设计学生姓名：学 院：理学院班 级：电科11-2班 指导教师：杜云刚 2014 年 7 月 11 日内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称： 光纤通信课程设计 学院： 理学院 班级： 电科11- 2班 学生姓名： _ 学号： 指导教师： 杜云刚 一、题目微型环状共振器的设计二、目的与意义由于光纤通信的快速发展，带动了被动与主动元件的基础研究。环行光共振器以其构造简单受到重视，环行光共振器是由两相同的波导，将一圆环或碟型共振器夹在中间。若入射光满足共振条件，则此信号将由输入波导耦合进共振器，接着再耦合至输出端。环行光共振器

2、在光纤通信技术中有重要应用。 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 1. 对两光波导的横向耦合进行分析；2. 设计微型环状共振器结构，参数包括直线波导、环形波导的折射率、尺寸、间距等；3. 分析共振器中电磁波的电场分量、远场等。四、工作内容、进度安排 1. 准备阶段，文献查阅；（2-3天）2. 研究方案设计；（3-5）3. 撰写课程设计说明书；（2-3.5天） 4. 答辩阶段。（0.5-1天）五、主要参考文献1 原荣编.光纤通信M.北京：电子工业出版社.2006年9月.2 刘增基等编. 光纤通信M.西安：西安电子科技大学出版社.2004年9月.3 4 林世穆，林旭

3、朗.方形共振器應用在光通訊之特性與模擬.臺北科技大學學報，37（1）：277-2905 宋军.波长选择开关. http:/www.c-审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 年 月 日指导教师签字：_摘要由于光纤通信的快速发展，带动了被动与主动元件的基础研究。环行光共振器以其构造简单受到重视，环行光共振器是由两相同的波导，将一圆环或碟型共振器夹在中间。若入射光满足共振条件，则此信号将由输入波导耦合进共振器，接着再耦合至输出端。本文通过使用OptiFDTD软件模拟仿真微型环状共振器观察其功能，以及相关参数的作用。对比分析最终得出相应的结论。关键字：微型环状共振器；OptiFDTD软件

4、；输入光平面；观察点；DFT图。AbstractThe rapid development of optical fiber communication drives the basic research of passive and active components. Circular optical resonator is taken seriously by its simple structure, which is composed of two same waveguide. And a ring or disk resonator is caught in the middl

5、e of the two waveguide. If incident light meet the resonance condition, the signal will be made by coupling into the input waveguide resonator, then coupled to the output terminal. In this paper, by using OptiFDTD software simulation of micro ring resonator observe its function and the role of relat

6、ed parameters. Finally, Compare and analyze the corresponding data to get conclusion.Key words: The micro ring resonator; OptiFDTD software; The input light plane; Observation points; DFT figure.目 录第一章绪论11.1 概述11.2 微腔共振器的实验进展及其应用11.3 微环共振器的工作原理21.4 OptiFDTD软件介绍3第二章 使用OptiFDTD设计微型环状共振器32.1 设计微环共振器的La

7、yout图32.1.1 初始化属性参数32.1.2设计微型环状共振器的Layout图32.1.3设置激励的输入光平面32.1.4 添加观察点42.2 运行该微环共振器52.3 微环共振器的数据结果分析62.3.1观察分析Ey（DFT）图62.3.2 对设定的观察点的数据进行采集和分析62.4改变参数对微环共振器的影响72.4.1不改变两光波导间距再增加一个内微环共振器72.4.2 增加半径差而不改变两波导间距92.4.3 改变两波导的距离保持半径不变102.5 四种模型对比得出结论11结论12参考文献13第一章 绪论1.1 概述20世纪60年代初期，红宝石激光器、氦氖激光器的出现揭开了光通信发

8、展的序幕【1】。其后，随着激光技术的不断发展，光学同其它学科领域不断渗透和融合，形成了许多新的分支学科或边缘学科。七十年代，在微电子学和激光技术相结合的基础上，集成光学作为一门新的技术应运而生其主要目的是将传统的大型光学系统小型化直至微型化，但是，此技术并不是简单地将组成光学系统的各个元器件按比例微缩，而常常要在高新物理学知识和制造技术的基础上对这些元器件的结构上进行根本的改变，并最终能获得具有多功能的单片集成光路。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

9、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”。微型环状共振器(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。1.2 微腔共振器的实验进展及其应用微腔共振器的研究不但从大尺寸(几百微米)向小尺寸(几个微米)发展，而且微腔共振器的形状也不断交化着。在发展过程中经历了微柱、微球

10、和微盘等阶段，现在研究更多的是微环共振器，本论文所侧重研究的也是微环共振器。随着研究的不断进展，微盘共振器也出现了，其制作材料主要为砷化镓（GaAs）【2】。锥形波导和微盘共振器之间光场的传输与耦合情况基本上和上面介绍的关于微球共振器的情况类似。最近研究的热点是微环共振器，同时也是本文探讨的内容。它的加工工艺和上面介绍的微盘共振器的情况类似，但是它的应用更为灵活、便捷，例如它可以与波导相结合构成分插滤被器、光开关等功能元件。这些功能元件在光通信和信息处理等领域有着巨大的市场，所以潜在的市场应用反过来又刺激这方面的实验研究。两种最常见的关于微环共振器与线波导组合，分别可以应用于分插滤波器和光开关

11、。光场在微环共振器中经过不断的反馈振荡，那么微环共振频率处的光场就会相干增强。以上所介绍的都是单环(球、盘)的情况，在实际应用中还有多种结构。比如多个微环共振器进行一维级联，就可以形成一种新型的光被导，称为耦合谐振光波导(CROW)。【3】1.3 微环共振器的工作原理自从1969年Marcatili提出光学微环共振器的结构和概念以来, 由于它具有诸多方面的优点如：微环Q 值很高, 损耗小, 尺寸小, 利于集成等而倍受关注。通过多年的研究【4】, 先后设计出各种类型的微环共振结构。如单波导单环结构、单波导双环 、双波导单环耦合结构及各种级联结构。各种结构的滤波特性、开关特性和缓冲特性方面都得到深

12、入的研究。已经利用微环共振器制出了半导体激光器、光波导滤波器和光存储器等器件。它们成为高密度光集成元件的选择之一, 在通信领域有很好的应用前景, 这对全光通信具有重要意义。微型环状共振器其是通过波导定向耦合器将环形波导与输入输出波导连接而成，如图1.3所示。设环形波导谐振腔的谐振频率为，则一列频率为、的信号波由通道1进入，与环形谐振腔发生耦合后，只有频率为儿的信号波能在环形谐振腔内达到谐振状态，在通道2的下载口输出，实现对儿信号的下载。这就是共振腔的选频作用1.3微型环状共振器的示意图1.4 OptiFDTD软件介绍OptiFDTD的运算方法是基于有限差分(FDTD)法【6】。已经建立的时域有

13、限差分法作为一个强大的工程工具集成和衍射光学器件模拟。这是由于其独特的组合的特性,比如能够模型光传播、散射和衍射、反射和极化效应。它还可以模型材料各向异性和分散没有任何前设的领域行为如慢变振幅近似。该方法允许有效的和强大的仿真和分析设备通过非常细亚微米结构细节。一次微米尺度意味着高度光约束和相应地,大折射率差的材料(主要是半导体)用于典型的装置设计。第二章 使用OptiFDTD设计微型环状共振器2.1 设计微环共振器的Layout图2.1.1 初始化属性参数设置波导属性参数waveguide properties，然后设置Proflies（宽度：0.5；厚度：0.5；材料：waveguide2

14、.0）；2D Wafer Properties设置如下：Material ：Air ；3D Wafer Properties设置如下：Cladding thickness : 2.5m；Substrate thickness ：0m 。设置完成后出现Layout设计界面。2.1.2设计微型环状共振器的Layout图1.设置图纸大小，长度为10m，宽度为8m；2.依次选择工具栏中的直线波导和环形波导在方格纸中画出如下图所示图形；图2-1 初步绘制直线波导和环形波导3.其中直线波导和环形波导的详细和精确参数如下：直线波导（0，2）（8，2）环型波导 （4，-0.35）半径：1.8，直线波导与环形波

15、导的参数设置：宽度和高度分别是0.5，设置激励的输入光平面：Input Plane1.这里需要注意的是，这个垂直输入平面是指光源从X-Y平面输入进来。在3D构形中，不允许存在多个输入光平面。多个输入光平面只能在2D中进行模拟。2.设置波长为1.4m。然后继续编辑3 D Transverse分栏：幅度(1.0 V/m)； 图2-2输入光平面设置 图2-3折射率图 图2-4主要成分Ey 折射率分部 图2-5副成分Ex折射率分部稍候，运行完毕后会有运行结束的信息，如上图所示，并找到一个模式如图所示。然后关闭该窗口，ok确认以后，就设定完毕输入光平面。运行完毕后，我们还可以观察设计的La

16、yout的2D和3D的折射率分布图： 图2-6 Layout的2D折射率分布图 图2-7 X-Y平面折射率分布图 2.1.4 添加观察点（Observation Point）观察点可以用来观察频域和时域上，在运行过程中，该点的采集响应，透射率，归一化功率等。现在我们在（1.， 2）和（8, 2）位置添加两个观察点，所要采集的数据为Ex,Ey两个电场分量：图2-8 最终的Layout图2.2 运行该微环共振器1.在Simulation菜单中选择3D Simulation Parameters，选择了运行20000次，多次的试验证明20000能很好的运行出效果图并节省时间。在选择离散傅立叶变换的选

17、项为Ey。 图2-9运行过程中的能量分布图图2-10 观察点的电场分布图2.3 微环共振器的数据结果分析2.3.1观察分析Ey（DFT）图 图2-11 X-Z平面DFT图 图2-12 X-Y平面DFT图 图2-13 X-Y输入平面重合浏览图 图2-14远场图2.3.2 对设定的观察点的数据进行采集和分析察看前面设定的两个观察点处的数据，我们调出DFT频域图 图2-15 DFT频域上标准响应 图2-16 两个观察点的能量损耗比 2-17 时域响应 图2-18 频域响应结论：由上图可知电场随波长不断的波动，在波长为1.4微米处电场达到最大值，透过率达到最大切归一化功率达到最大值。2.4改变参数对微

18、环共振器的影响2.4.1不改变两光波导间距再增加一个内微环共振器1.基本步骤是画出内环并设置参数：圆心（4，-0.35）半径1.2其他与外圆一样，此时，Layout图为： 图2-19 改变两光波导间距之后的Layout图 图2-20 输入光平面设置完成2.运行完毕，出现的Ey（DFT）图如2-13所示：图2-21 改变两光波导间距之后的Ey（DFT）图4.DFT频域图图2-22 DFT频域上的Ey随着波长的变化 图2-23 观察点能量比值图2-24频域响应图两种模型对比并初步得出结论对比图2-15，2-16与图2-22，2-23，我们可以发现，增加一个内环波导，Ey的波动越明显，能量比值稍有增

19、加，这说明耦合效率越好，即增加内环波导有利于耦合。2.4.2 增加半径差而不改变两波导间距1.基本步骤是设置参数内环参数并删除外环：圆心（4，-0.35）半径1.8改变外径宽度为1.65，此时，Layout图为 图2-25 设置半径差数值为1.65 图2-26 改变光波导半径之后的Ey（DFT）图2.DFT频域图 图2-27 DFT频域上的Ey随着波长的变化 图2-28 观察点能量比值图2-29 改变波导半径之后的频域图三种模型对比分析得出结论分析图对比图2-15，2-6与图2-12，2-23与图2-27，2-28，可得增加半径差（保持两波导间距不变）同样能增加耦合效率。增设一个内环与增加半径

20、差一样可以使欠耦合的共振器收集更多的能量从而更有效的耦合共振。2.4.3改变两波导的间距保持半径不变1.基本步骤是设置参数内环参数并删除外环：圆心（4，-0.75）半径1.8，直线波导与环形波导的参数设置：宽度和高度分别是0.5，1.Layout图为 图2-30 改变光波导的间距后Layout图 图2-31 改变光波导距离之后的Ey（DFT） 图2-31 改变光波导的间距后的DFT 图2-32 观察点能量比值图2-33 改变光波导的间距后的频域响应图 与第一种模型对比得出结论由图2-31知两波导距离太大，耦合率降低，距离太大导致环状波导中几乎没信号进入。对比图2-15，图2-16，图2-17，图2-18和图2-30，图2-31。图2-32，图2-33知改变波导间距耦合率降低。2.5 四种模型对比得出结论保持两波导的间距不变的前提下，加入内环型波导和增加半径差均可提高波导间的耦合率；保持波导的半径不变