微型环状共振器的设计教材

1、内克"求夬寧课程设计说明书题 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。环行光共振器在光纤通信 技术中有重要应用。三

2、、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 http:/blog.si .cin/s/blog_5

3、e13f6110100cd3r.html4 林世穆，林旭朗.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.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

4、字：微型环状共振器；OptiFDTD软件；输入光平面；观察点；DFT图。AbstractThe rapid developme nt of optical fiber com muni cati on drives the basic research of passive and active comp onen ts. Circular optical reson ator is take n seriously by its simple structure, which is composed of two same waveguide. And a ring or disk reso

5、n ator is caught in the middle of the two waveguide. If incident light meet the resonance condition, the signal will be made by coupli ng into the in put waveguide reson ator, the n coupled to the output termin al. I n this paper, by using OptiFDTD software simulati on of micro ring reson ator obser

6、ve its fun cti on and the role of related parameters. Fin ally, Compare and an alyze the corresp onding data to get con clusi on.Key words: The micro ring res on ator; OptiFDTD software; The in put light plane; Observation points; DFT figure.1.1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 2

7、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Layout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 92.5四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

8、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

9、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

10、（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

11、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。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

12、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f2，则一列频率为f,、f2、f3,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 选频作用丨谛

13、卜鞍T幡入川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【6】。已经建立的时域有限差分 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

14、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：waveguide2.0） ； 2D Wafer Properties设置如下：Material : Air ； 3D Wafer Properties设置如下： Cladding thickness: 2.5 卩 m Substrate thickness: 0卩 m。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10卩m,宽度为8 11 m；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

15、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1.41 m。然后继续编辑3 D Transverse分栏：幅度(1.0 V/m)；000-0- 0001图2-2输入光平面设置图2-3折射率图

16、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Layout的2D和3D的折射率分布图：Rei. IdiK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IX2.1.4 添加观祭点(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-

17、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 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DFTEy1M图2-11 X-Z 平面DFT 图DFTEys:-U /I-J Jr* vJ113 X-Y Plane Input Overlap Integral ScanDbl Oct CnObjecfclo op

18、en prop?rti«. Mme Ob.ecls 神 Hous? Drag2um图2-13 X-Y输入平面重合浏览图Fnr Finlrl图2-14远场图232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C Frin? FF1$ Fri|ic寸 DFTH Ey-DFT Result厂 X-Polarizati |C* Y=F«jlafizati r Foil VtctiX Upperki.冲 | | g轲 I ITS-出L.丽C Tim (fnjP HorMhlLa4 l|llTF1目” 口站.|-LbML| I-Et1 Ur I

19、e 1 CihIar taiz 1”0 h r * e. 1 :i hn l kA LX1(ZWl 3.29.1 “liCfcm HcfiFzLal'ZI(zati, i51Full VectorCui0ent Sli 皂屯ModeMud« .Y Upper|oOri entati« X_¥Z -90 (7. 20StatisticsRe=uli:|74. 1642丫 Lowar% Fl - 2901dB：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Si Cti aciproc«1ita Mwe OtKd& 91 Mu

20、mZ|二町心料】T 希计 皿I+ Tr*jincj FFTi"盼甲巧r IFTtin V/J1Z33而wuI ErErEz | HSjlx | Ctntei w («>)1p0b5tr«1 LanFQinil1X(SlM. J S3.IObliEvA i Lfuft-jhl £11? it M.】沾iT.ODSmpI* |l妙厂巫 |phi：ijcc|*Lbnlilx | £r | t3 I Hl I lr社Cnldia Itii C«bI)| CoJ-dsi.F f<faii3ntcat-=-3a!；LX 11 .u1

21、1i 2 « ：s. r ro2-17时域响应结论：由上图可知电场随波长不断的波动, 过率达到最大切归一化功率达到最大值。图2-18频域响应在波长为1.4微米处电场达到最大值，透2.4改变参数对微环共振器的影响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:DFT Ey3航2运行完毕，出现的Ey (DFT)图如2-13所示:DFT Ey3fe0e4)021 75e-OD2 ffOOOO-.OU o图2-21改变两光波导间距之后的Ey( DFT)图4.DFT频域图DFT R&#

22、171;suJL t广 光一尸書晳斩W Y-Felai-i zti 厂 FiJLl Vcc-t Re gi on : C* M L.QW 4-1- |0X Upptr |75图2-22 DFT频域上的Ey随着波长的变化Mo> daFob! ti otl (uY Low «-ir |0Y Upp«r 丽呂ubdivi si ons .iaStati st i csRuul常' « |-1O. M2B ” dB：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

23、内环波导，Ey的波动越明显，能量比值稍有增加，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*0 <,图2-26 改变光波导半径之后的Ey ( DFT )图2.DFT频域图'FreqiHDCT- I?I民 證冈口祖盯 呼7Hy*|LkbeAEi Ey £zbj 1 fir izC"Enter loxColor |# HbGAbi&llaKPDligLlLI

24、I订(2- M】 21 lE2# UbG鮎血B|L1F1 I(?. M, | .笳，7 M切 I lT" g W | L 晶Stipii too图2-27 DFT频域上的Ey随着波长的变化DFT ResultX-F olar i zat i f* I-F-olarirati 厂 Full Vecti-Input隔gl 二Y P clz at 1 on.Re gi on : C* IndexX LowerX UpperPositi on £u¥ Law er |oY Upper |SOSubdivisions：X |oY IS-Current 51iri entit

25、i* X_YZ -0 (0. oaStall sti utR*sult|13 094Z%1 |-8 8292d£：ROL guJ. at eHelp图2-28观察点能量比值1J1.3l.flEx Ey I Fp I m I Hy I Hf IDFTEy(-7-003rjODs+OOO £.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）点TFT厂 PtBT7C Ti卄(fs)IM砸匚転圖二丽 Hk/f | | l £厂hth；懵锐和f | |L &(th)p-3S»pl«0腑mM*lpumI *

26、 |La b-al& 1ErEx I H r>LZb-elR r Fa eLains胃K(2.叫 B. 29, L 2D2 7 gi：»rr*111(3 Q0r 1.33. ? nn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

27、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 33L iff I |3E(f»l r T.u.Ob* THX-Sm 3jF ItSpiHre J?BAB.主严“ r"IWKZd皿I1 +I ef | riI Ka | Or | vr F»» <qe) | ELejJfinToja/l LXK(2.4CL L. 2«j EZIfZxarFi.*: lc-afnsa.12MDFT Result广 X -FoltLjri Etti 煜 Y-Polar£i*ti 广 F4L Ytct-R*gi Mk . C

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