非对称双环-光电子课程设计

课程设计任务书学生姓名：胡康哲专业班级：电子1103指导教师：旷海兰工作单位：信息工程学院题目：非对称双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；beamprop软件或Fullwave软件。要求完成的主要任务：1.学习beamprop或Fullwave软件；2.对非对称双环微环谐振滤波器进行理论学习并分析其滤波特性；3.用beamprop或Fullwave软件对非对称双环微环谐振滤波器进行仿真；4.查阅篇参考文献，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：1．2014年12月15日布置课程设计任务，完成选题；2．2014年12月16日至2014年12月19日学习beamprop或Fullwave软件，完成资料查阅，复习与选题内容相关的基本理论知识；3.2014年12月20日至2014年12月25日对非对称双环微环谐振滤波器进行仿真工作，完成课程设计报告撰写；4.2014年12月26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：年月日目录HYPERLINK摘要 绪论光通信是用光作为信息的载体来传递信号。1960年美国科学家梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石激光器[1]，2009年的诺贝尔物理学获得者高琨(CharlesK.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hckman)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[2]，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、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双环微环谐振器如图2．1，双环微环谐振器的基本结构图2.1双环微环谐振器的基本结构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。b3与a3间的传输系数定义为T2，再看上面的环，可得Though端的输出。下面推导双环Drop端的输出，先看靠近入射波导的环。再看靠近输出波导的环，可得Drop端的输出。3软件简介Beamprop

是一个高度集成了计算机辅助设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新建一个电路图打开软件RsoftCADLayout，新建一个电路图，设置全局参数如下图4.1:图4.1全局设置选择仿真工具为fullWAVE/FDTD。其中1.55是真空中的波长，1是真空折射率，2.5是折射率变化值，两个值加起来是波导环的折射率3.5，波导宽度设置为0.2。4.2定义参数和变量点击“EditSymbols”按钮进行变量定义，如图4.2所示：图4.2定义变量先新建一个符号，然后设置名字和值，然后点击AcceptSymbol确定。最后点击OK确定所有变量设置完毕。变量Gap是直线和环的间隔宽度，Gap1是环和环之间的间隔宽度。R1R2分别是两个环的内圆半径，width是环的宽度。4.3滤波器设置然后进行滤波器的绘制，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。点击Options-Insert-lens设置圆环的参数，先设置内圆，后设置外圆，否者会出现变量未定义等错误。设置完后右键内圆选择more设置内圆颜色为黄色，便于和外圆区别。4个圆的参数如图4.5、4.6、4.7、4.8所示：图4.5图4.6图4.7图4.8设置完圆环后，可以选择直线画图，再右键设置参数，也可以点击Options-Insert-Segment设置圆柱的参数。左边圆柱的参数设置如图4.3所示：图4.3圆柱参数右边圆柱参数如图4.4所示：图4.4圆柱参数设置完圆柱和圆环波导后，再点击Options-Insert-TimeMonitor设置两个节点的监视点。4.4完整CAD图在以上参数全部设置好后，图纸上会出现完整的光波导图，如图4.5所示：图4.5非对称双环微环谐振滤波器由上图可知两个圆环波导的半径不一样，两边的两个圆柱波导通过两个非对称双环微环耦合，右边的波导通过双环和左边的波导产生谐振，并实现滤波功能。通过比较信号源和两个采样点的信号，可以分析其滤波特性。在图纸画好后，参数检查无误后，接下来可以查看折射率分布和进行仿真。4.5折射率分布点击DisplayIndexProfile查看折射率的分布，查看模式选择xz坐标，如图4.6所示：图4.6设置展示模式点击OK确认，出现总体的折射率分布，如图4.7所示：图4.7总体折射率分布在图4.7中不同位置右键，可以得到X方向或Z方向的切面折射率分布，例如当X=0时Z方向的折射率分布如图4.8：图4.8X=0，Z的折射率分布因为X=0，Z方向都是真空，所以折射率都是1.当Z=0是X方向折射率如图4.9所示：图4.9Z=0，X的折射率分布如图可见在圆柱和圆环处折射率为3.5，其他地方为1.4.6仿真点击performsimulation弹出窗口如图4.10所示：图4.10仿真设置注意设置outputprefix（输出文件名），还可以设置仿真速度。因为是FTDT法仿真，所以时间较久。在仿真完成后，通过viewgraphs查看仿真结果。仿真过程中如下图4.11，4.12：图4.11仿真图4.12仿真仿真完成后会生成刚才命名的文件。用viewgraphs打开，如图4.13和4.14所示：图4.13仿真结果图4.14仿真结果图中红线是信号源，绿线是输出的监视节点值，蓝线是输入处的监视值。由图4.13，最终输入输出值都趋于稳定，由图4.14，输出没有了信号源的高频成分，即实现了滤波功能。4.7改变折射率多次仿真通过改变折射率delta，可以寻找输出功率最大时波导的折射率。由于仿真次数较多，时间较长，这里只扫描了几个折射率的值，结果如图4.15：图4.15折射率扫描结果由图可知，当delta取值2.1时输出最大，即波导折射率为3.1输出最大。由于是抽样的折射率取值，所以可能有误差。5心得体会此次选择的题目是“非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析”，选题之后在通过查询资料，然后在Rsoft

CAD软件下绘出对称双环微环谐振滤波器模型图，修改相关参数，使其适应本次的设计，观察仿真的数据是否符合设计要求。通过此次设计，了解了双环微环谐振滤波器的滤波特性，学习了利用软件模拟和仿真，减少了利用实际光路的麻烦。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。我认为这个收获应该说是相当大的。觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。参考文献[1]王现银.聚合物微环谐振波分复用器传输特性的理论分析.光学学报,2005.2[2]杨建义.串联双环光微谐振器的滤波特性.光学学报,2003.2[3]明海.光电