武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特性分析综述

武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特征解析综述武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特征解析综述28/28武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器特征解析综述武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：指导教师：题目:

专业班级：工作单位：信息工程学院非对称双环微环谐振滤波器特点解析初始条件：计算机、beamprop软件(或Fullwave软件)要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等详尽要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习beamprop软件(或Fullwave软件)。（2）对非对称双环微环谐振滤波器进行理论学习和特点解析。（3）对非对称双环微环谐振滤波器的滤波特点进行Fullwave软件仿真工作。3、查阅最少5篇参照文件。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，图纸应吻合绘图规范。时间安排：做课设详尽推行安排和课设报告格式要求说明。学习beamprop软件(或Fullwave软件)，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2012.6.29-7.5对非对称双环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2012.7.6提交课程设计报告，进行争辩。武汉理工大学《光电子技术》课程设计说明书目录大纲IAbstractII1绪论12微环谐振滤波器2微环谐振腔简介2微环谐振滤波器的基本结构32.3双环谐振腔的滤波特点63Beamprop和Fullwave介绍94滤波特点仿真104.1BeamProp参数设置步骤10检查指数资料14解析建立154.4仿真155心得领悟20参照文件21大纲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可以实现多种功能的新式光波导器件。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特别适于大规模单片亲密集成。本文介绍的是经过Fullwave软件进行谐振滤波器的光谱仿真，Fullwave是一款合用性特别强的光学应用软件，本文包括了Fullwave软件的介绍、谐振滤波器的原理以及其滤波特点仿真。重点词：谐振滤波器；Fullwave；滤波特点仿真AbstractWiththedevelopmentofopticalcommunicationtechnology,opticalcommunicationnetworkneedstoconstantlyimprovetheperformanceandreducetheoperationcost,itscoretechnologyisthattheopticalwaveguidedeviceminiaturization,integrationandscale,atthesametimethefutureall-opticalnetworkisanurgentneedtoachieveavarietyoffunctionsofthenewtypeopticalwaveguidedevice.ThisarticledescribesthespectrumoftheresonantfilterFullwavesoftwaresimulation,Fullwaveisaverystrongpracticalopticalapplications,containstheFullwavesoftware,thesimulationoftheprincipleoftheresonantfilterandfiltercharacteristics.Keywords:resonantfilters;Fullwave;filtercharacteristicsimulation绪论光通信，顾名思义，即用光作为信息的载体来传达信号，在通信不发达的古代，人们就已经懂得利用光来传达信息。自从1960年美国科学家梅曼（Maiman）发了然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)此后[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可以实现多种功能的新式光波导器件，比方能同时实现光学滤波器、延缓线、缓存器和各种全光信号办理的基本单元，经过大规模集成该单元在一个衬底上实现功能富强的光子学“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特别适于大规模单片亲密集成，同时能实现包括滤波器、延缓线、缓存器、激光器、路由器、波长复用/解复用器、光开关、调制器、波长变换器、码型变换、逻辑门和传感器等功能单元，功能特别富强，所以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限制性，人们提出了采用多环串通耦合或并联耦合结构的高级次光谐振器来改进通带结构,相对其他高级次结构，二级微环拥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）的光滤波特点进行解析。第一给出双环光微谐振器的传达函数；在此基础进步行其滤波特点解析，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点的影响，清楚通带结构及可控性，比较相对单环谐振滤波器的不同样与改进。本次课设主要研究微环谐振器的基本结构，简要介绍了它的看法和应用，其中重点介绍了它的滤波特点。微环谐振滤波器微环谐振腔简介微环谐振器拥有特别简单，紧凑的结构，其结构如图2．1所示，它由两根直波导和一个环形的波折波导组成。如图2．1，光从端口A入射，达到直波导与环组成的第一个耦合区，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组成的耦合区，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。所以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2．1，由端口A入射必然波长范围的光，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。微环谐振器的结构将上传下载四个端口分开。所以多个微环谐振器级联可作上传下载信号的模块。图2．1微环谐振器的基本结构微环谐振滤波器的工作原理微环谐振器的基根源理近似法一泊腔的原理，如图2．2。两者最大的差异是微环谐振器中形成的行波，而法一泊腔中形成的是驻波。光入射到微环谐振器中，部分光沿直波导传输，部分光耦合到环中，近似于法．泊腔中，部分传输，部分反射。法．泊腔中反射系数相当于环中传输系数t1，而传输系数相当于环中的耦合系数K1。图法．泊腔与微环谐振器的比较推导微环谐振器的传输特点中，最常用的方法就是传输矩阵的方法[27,281。由图2．2(b)所示，ai，bi(i=l，2，3,4)表示直波导和环中的场强，由模式耦合理论可得，b1t1k1a1(2．1)b2x1.t1a2式中，t1为振幅的传输系数，k1为振幅的耦合系数，在耦合无耗费的情况下22k1，由式(2．1)得，b1t1a1k1a2，又因a2Ab2ej，其t1k11，k1中护为光传输一周的相位，2（2.2）neffLL为环的周长，L=2rcR，A为周耗费因子，它表示光在环中传输一周节余的振2一aL/2幅的百分比，令a=A，则a表示光在环中传输一周节余的能量的百分比，A=e。b1t1t2Aeja1(2.3)1t1t2AejIBb12t12t222t1t2Acos（）IAa121t12t222t1t2Acos当环的两个耦合区对称耦合时，2222令k1=k2=K,t1=t2=T时，K+T=1．K表示直波导耦合到环中的能量，即能量的耦合系数，T表示能量的传输系数。式2．3变为IB1(1TA)K(2.5)IA(1TA)24TAsin2(2)C端口的输出为，b4k1k2Aej/2(2.6)1t1t2Aeja1ICb42k122Ak22t12t22(2.7)IAa112t1t2Acos当环的两个耦合区对称耦合时，ICK2A（）IA(1TA)24TAsin2(2)把式(2．2)代入到式(2．5)，(2．8)中，采用必然的半径R，耦合系数K，耗费因子A，即可得如图2．3，可获得微环端口B，C的输出特件曲线。图2．3微环谐振器的传输特点曲线上述的公式，也可也采用法-泊腔的原理进行推导，把各次耦合到C端口的场强进行叠加，利用多光束干涉的原理也可以推导出公式(2．8)，推导过程以下，b4k1k2Aej/2(1At1t2ejA2t12t22ej2)a1（2.9）k1k2Aej/21(At1t2ej)k1Att2ej当k时，式(2．9)变为下式，b4k1k2Aej/2（2.10）a11At1t2ej若是k不趋于无量，也就是说光在环中传输几圈今后输出，式(2．9)式取绝对值的平方，得2j2b4k1k2Ae/2(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)（2.11）a1j21At1t2e式(2．11)中由于项(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)的存在，当k值较小的时候，(2．10)式的近似不可以立，所以用FDTD对微环谐振器进行模拟的时候，在时间较短的情况下，C端口的输出是不牢固的，这也是微环谐振器仿真模拟的时候需要较长的时间的原因。2.3双环谐振腔的滤波特点2．3．1单环的传输特点图2.4：单个微环谐振器如图2.7，给出单环微环谐振器的基本结构，tl，kl为入射直波导和环的传输系数和耦合系数，t2，k2为环和出射直波导的传输系数和耦合系数。无耗费的情况下，Drop端和Though端的输出为，bb

t1t2ej1j/21t1t2ek1k2ej/241t1t2ej

aa

11

(2．12a)(2．12b)2．4．2双环的传输特点如图2．8，给出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。先看凑近Drop端的环，由公式(2．12a)可得，t2t3ejja3T2a3(2．13a)b3t1t2e1把b3与a3间的传输系数定义为T2，再看上面的环，由公式(2．12a)可得Though端的输出，t1T2ejja1(2．13b)b1t1T2e1图2.5：双环微环谐振器下面推导双环Drop端的输出，先看凑近入射波导的环，由(2．12b)，得k1ek/2(2．14a)a31t1T1eja1K1a1再看凑近输出波导的环，由公式(2．12b)可得Drop端的输出，a6k2k3ej/2K1k2k3ej/2(2．14b)1t2t3eja31t2t3eja13Beamprop和Fullwave介绍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流传法(finite-differencebeampropagationmethod)来模拟解析光学器件。用户界面友好，解析和设计光学器件轻松方便。其主程序为一套完满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、解析功能选项。另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟解析工作，以图形方式显示域的特点以及用户感兴趣的各种数值特点。Fullwave是一高度整合之复杂光子组件仿真设计解析软件，它使用－有限差分时域之模拟解析方法，藉以解析一般光束流传法所无法建立模型解析的光子组件，比如光晶体与环状共振器等。所以，RSoft企业所开发的BeamPROP与FullWAVE软体，两者实际上是拥有互补之作用。其主控程序为BeamPROP之CADLayout系统，用来设计光波导组件及光路，亦即BeamPROP与FullWAVE共享同一个CADLayout程序。滤波特点仿真4.1BeamProp参数设置步骤打开BeamProp软件所在文件夹，打开CADLayout程序，开始此次的仿真。第一在菜单中选择“NewCircuit”，尔后更正其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”参数，参数设置如图4.1所示。图4-1BeamProp参数设置尔后点击“EditSymbols”按钮进行变量定义，如图4.2所示：图4-2变量定义尔后进行滤波器的绘制，尔后每个部分分别都要进行设置，经过右键点击每个部分就可以更正参数，第一个圆柱的参数设置如图4.3所示：图4-3第一个圆柱的参数设置第二个圆柱的参数设置如图4.4所示：图4-4第二个圆柱的参数设置输入的参数设置如图4.5所示：图4-5输入的参数设置检查指数资料为了看清楚滤波器的指数耗费，我们需要检查指数资料。点击“ComputeIndexProfile”按钮即可查察并更正了。如图4.6所示：图4-6指数资料解析建立现在滤波器已经定义好了，就需要监测器去查察解析。点击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮，尔后点击“New”将各部件涂成绿色。尔后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击“New”，让第一个保持在默认状态，在第二个监测器对话框中，将“MonitorComponent”设为“Major—Backward”。当几个监测器设置正确后，进行下一步仿真。仿真点击“PerformSimulation”图标打开仿真对话框，尔后在仿真对话框的参数设置如图4.7所示：图4-7仿真参数设置尔后就能得出仿真结果，由于是FTDT法仿真，所以时间较久，下面是不同样时期，如图4.8，4.9，4.10所示：图4-8开始时仿真结果图4-9中期仿真结果（第一个环产生谐振）图4-10最后仿真结果心得领悟随着信息时代的到来，人们对于光纤通信系统的通信容量的需求正呈级数增添，而大规模集成光学无疑将成为未来大容量高速度光纤通信网络的一个重要组成部分。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。在做本次课程设计的过程中，我感想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满，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可以少的。过没想到这项看