非對(duì)稱雙環(huán)_光電子課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 胡康哲 專業(yè)班級(jí)： 電子1103 指導(dǎo)教師： 曠海蘭 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析初始條件：具有光電子技術(shù)的基本理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力；對(duì)光纖技術(shù)有一定的了解；計(jì)算機(jī)；beamprop軟件或Fullwave軟件。 要求完成的主要任務(wù)： 1.學(xué)習(xí)beamprop或Fullwave軟件；2. 對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行理論學(xué)習(xí)并分析其濾波特性；3.用beamprop或Fullwave軟件對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行仿真；4.查閱篇參考文獻(xiàn)，按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，正文10-15頁(yè)，用A4紙打印

2、。時(shí)間安排：12014年12月15日布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，完成選題； 22014年12月16日至2014年12月19日學(xué)習(xí)beamprop或Fullwave軟件，完成資料查閱，復(fù)習(xí)與選題內(nèi)容相關(guān)的基本理論知識(shí)；3.2014年12月20日至2014年12月25日對(duì)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行仿真工作，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)；4. 2014年12月26日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要31 緒論42 雙環(huán)微環(huán)諧振器53 軟件簡(jiǎn)介64 濾波特性仿真74.1 新建一個(gè)電路圖74.2 定義參數(shù)和變量84.3 濾波器設(shè)置94.4

3、完整CAD圖134.5 折射率分布144.6 仿真164.7 改變折射率多次仿真195 心得體會(huì)20參考文獻(xiàn)21摘要 隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于平面波導(dǎo)的光微環(huán)諧振器受到人們的關(guān)注和研究，相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展。微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱微環(huán))滿足了微型化、集成化、規(guī)模化和能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能等要求，其微納米量級(jí)的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成。Fullwave是一款實(shí)用性非常強(qiáng)的光學(xué)應(yīng)用軟件，本文包含了Fullwave軟件的介紹、諧振濾波器的原理以及其濾波特性仿真。本課設(shè)采用有限差分時(shí)域法(FDTD)和時(shí)域耦合模理論，系統(tǒng)地分析了雙環(huán)微環(huán)結(jié)構(gòu)諧振濾波器的濾波特性。關(guān)鍵詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特性

4、仿真I武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1 緒論光通信是用光作為信息的載體來(lái)傳遞信號(hào)。1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器1，2009 年的諾貝爾物理學(xué)獲得者高琨(Charles K.Kao)和他的同事霍克曼(G.A.Hckman) 于 1966 年提出玻璃纖維可傳輸光信號(hào)，并指出通信光纖的要求是每公里衰減小于 20 分貝(dB)之后2，通信領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代光纖通信技術(shù)時(shí)代。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷地提高工作性能和降低運(yùn)營(yíng)成本，其核心技術(shù)在于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時(shí)未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的新型光波導(dǎo)器件，

5、例如能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號(hào)處理的基本單元，通過(guò)大規(guī)模集成該單元在一個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的光子學(xué)“片上系統(tǒng)”。微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱微環(huán))滿足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)包括濾波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、碼型轉(zhuǎn)換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強(qiáng)大，因此微環(huán)己成為光纖通信和集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于采用單環(huán)光諧振器的光濾波器在通帶結(jié)構(gòu)上固有的局限性，人們提出了采用多環(huán)串聯(lián)耦合或并聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的高級(jí)次光諧振器來(lái)改善通帶結(jié)構(gòu),相對(duì)其它高級(jí)次結(jié)構(gòu)，二級(jí)微環(huán)具有最為簡(jiǎn)單的調(diào)

6、諧要求。本次課設(shè)將對(duì)雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的二級(jí)光諧振器（簡(jiǎn)稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特性進(jìn)行分析。首先給出雙環(huán)光微諧振器的傳遞函數(shù)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其濾波特性分析，明確環(huán)與環(huán)間和環(huán)與輸入輸出光引導(dǎo)波導(dǎo)間的光功率耦合大小對(duì)濾波特性的影響，清晰通帶結(jié)構(gòu)及可控性，比較相對(duì)單環(huán)諧振濾波器的不同與改進(jìn)。本次課設(shè)主要研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要介紹了它的概念和應(yīng)用，其中重點(diǎn)介紹了它的濾波特性。2 雙環(huán)微環(huán)諧振器如圖21，雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu) 圖2.1 雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)tl，k1為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為兩個(gè)環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個(gè)環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦

7、合系數(shù)。先看靠近Drop端的環(huán)。 b3與a3間的傳輸系數(shù)定義為T2，再看上面的環(huán)，可得Though端的輸出。 下面推導(dǎo)雙環(huán)Drop端的輸出，先看靠近入射波導(dǎo)的環(huán)。 再看靠近輸出波導(dǎo)的環(huán)，可得Drop端的輸出。 3 軟件簡(jiǎn)介Beamprop是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法來(lái)模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄晟频挠糜谠O(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場(chǎng)以及各種顯示、分析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模

8、擬分析工作，以圖形方式顯示域的特性以及用戶感興趣的各種數(shù)值特性。Fullwave是一高度整合之復(fù)雜光子組件仿真設(shè)計(jì)分析軟件，它使用有限差分時(shí)域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無(wú)法建立模型分析的光子組件，例如光晶體與環(huán)狀共振器等。因此，RSoft公司所開(kāi)發(fā)的BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實(shí)際上是具有互補(bǔ)之作用。其主控程序?yàn)锽eamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來(lái)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)組件及光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個(gè)CADLayout程序。4 濾波特性仿真4.1 新建一個(gè)電路圖打開(kāi)軟件Rsoft CAD Layout，新建一個(gè)電路圖，設(shè)置全局參數(shù)如下圖4

9、.1: 圖4.1 全局設(shè)置選擇仿真工具為fullWAVE/FDTD。其中1.55是真空中的波長(zhǎng)，1是真空折射率，2.5是折射率變化值，兩個(gè)值加起來(lái)是波導(dǎo)環(huán)的折射率3.5，波導(dǎo)寬度設(shè)置為0.2。4.2 定義參數(shù)和變量點(diǎn)擊“Edit Symbols”按鈕進(jìn)行變量定義，如圖4.2所示： 圖4.2 定義變量 先新建一個(gè)符號(hào)，然后設(shè)置名字和值，然后點(diǎn)擊Accept Symbol確定。最后點(diǎn)擊OK確定所有變量設(shè)置完畢。變量Gap是直線和環(huán)的間隔寬度，Gap1是環(huán)和環(huán)之間的間隔寬度。R1R2分別是兩個(gè)環(huán)的內(nèi)圓半徑，width是環(huán)的寬度。4.3 濾波器設(shè)置然后進(jìn)行濾波器的繪制，每個(gè)部分分別都要進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)右

10、鍵點(diǎn)擊每個(gè)部分就可以修改參數(shù)。點(diǎn)擊Options-Insert-lens設(shè)置圓環(huán)的參數(shù)，先設(shè)置內(nèi)圓，后設(shè)置外圓，否者會(huì)出現(xiàn)變量未定義等錯(cuò)誤。設(shè)置完后右鍵內(nèi)圓選擇more設(shè)置內(nèi)圓顏色為黃色，便于和外圓區(qū)別。4個(gè)圓的參數(shù)如圖4.5、4.6、4.7、4.8所示： 圖4.5 圖4.6 圖4.7 圖4.8設(shè)置完圓環(huán)后，可以選擇直線畫(huà)圖，再右鍵設(shè)置參數(shù)，也可以點(diǎn)擊Options-Insert-Segment設(shè)置圓柱的參數(shù)。左邊圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示： 圖4.3 圓柱參數(shù)右邊圓柱參數(shù)如圖4.4所示： 圖4.4 圓柱參數(shù)設(shè)置完圓柱和圓環(huán)波導(dǎo)后，再點(diǎn)擊Options-Insert-TimeMonitor設(shè)

11、置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視點(diǎn)。4.4 完整CAD圖在以上參數(shù)全部設(shè)置好后，圖紙上會(huì)出現(xiàn)完整的光波導(dǎo)圖，如圖4.5所示： 圖4.5 非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器由上圖可知兩個(gè)圓環(huán)波導(dǎo)的半徑不一樣，兩邊的兩個(gè)圓柱波導(dǎo)通過(guò)兩個(gè)非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)耦合，右邊的波導(dǎo)通過(guò)雙環(huán)和左邊的波導(dǎo)產(chǎn)生諧振，并實(shí)現(xiàn)濾波功能。通過(guò)比較信號(hào)源和兩個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，可以分析其濾波特性。在圖紙畫(huà)好后，參數(shù)檢查無(wú)誤后，接下來(lái)可以查看折射率分布和進(jìn)行仿真。4.5 折射率分布點(diǎn)擊Display Index Profile 查看折射率的分布，查看模式選擇xz坐標(biāo)，如圖4.6所示： 圖4.6 設(shè)置展示模式點(diǎn)擊OK確認(rèn)，出現(xiàn)總體的折射率分布，如圖4.7所示：

12、 圖4.7 總體折射率分布在圖4.7中不同位置右鍵，可以得到X方向或Z方向的切面折射率分布，例如當(dāng)X=0時(shí)Z方向的折射率分布如圖4.8： 圖4.8 X=0，Z的折射率分布因?yàn)閄=0，Z方向都是真空，所以折射率都是1.當(dāng)Z=0是X方向折射率如圖4.9所示： 圖4.9 Z=0，X的折射率分布如圖可見(jiàn)在圓柱和圓環(huán)處折射率為3.5，其他地方為1.4.6 仿真點(diǎn)擊perform simulation 彈出窗口如圖4.10所示： 圖4.10 仿真設(shè)置注意設(shè)置output prefix（輸出文件名），還可以設(shè)置仿真速度。因?yàn)槭荈TDT法仿真，所以時(shí)間較久 。在仿真完成后，通過(guò)view graphs查看仿真結(jié)

13、果。 仿真過(guò)程中如下圖4.11，4.12： 圖4.11 仿真 圖4.12 仿真仿真完成后會(huì)生成剛才命名的文件。用view graphs打開(kāi)，如圖4.13和4.14所示： 圖4.13 仿真結(jié)果圖4.14 仿真結(jié)果圖中紅線是信號(hào)源，綠線是輸出的監(jiān)視節(jié)點(diǎn)值，藍(lán)線是輸入處的監(jiān)視值。由圖4.13，最終輸入輸出值都趨于穩(wěn)定，由圖4.14，輸出沒(méi)有了信號(hào)源的高頻成分，即實(shí)現(xiàn)了濾波功能。4.7 改變折射率多次仿真通過(guò)改變折射率delta，可以尋找輸出功率最大時(shí)波導(dǎo)的折射率。由于仿真次數(shù)較多，時(shí)間較長(zhǎng)，這里只掃描了幾個(gè)折射率的值，結(jié)果如圖4.15： 圖4.15 折射率掃描結(jié)果由圖可知，當(dāng)delta取值2.1時(shí)輸

14、出最大，即波導(dǎo)折射率為3.1輸出最大。由于是抽樣的折射率取值，所以可能有誤差。 5 心得體會(huì)此次選擇的題目是“非對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析”，選題之后在通過(guò)查詢資料，然后在RsoftCAD軟件下繪出對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器模型圖，修改相關(guān)參數(shù)，使其適應(yīng)本次的設(shè)計(jì)，觀察仿真的數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，了解了雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性，學(xué)習(xí)了利用軟件模擬和仿真，減少了利用實(shí)際光路的麻煩。在做本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的。雖然自己對(duì)于這門課懂的并不多，很多基礎(chǔ)的東西都還沒(méi)有很好的掌握，覺(jué)得很難，也沒(méi)有很有效的辦法通過(guò)自身去理解，但是靠著這一個(gè)多禮拜的“學(xué)習(xí)”，在小組同學(xué)的幫助和講解下，漸漸對(duì)這門課逐漸產(chǎn)生了些許的興趣，自己開(kāi)始主動(dòng)學(xué)習(xí)并逐步從基礎(chǔ)慢慢開(kāi)始弄懂它。我認(rèn)為這個(gè)收獲應(yīng)該說(shuō)是相當(dāng)大的。覺(jué)得課程設(shè)計(jì)反映的是一個(gè)從理論到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程，但是更遠(yuǎn)一點(diǎn)可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學(xué)校轉(zhuǎn)到踏上社會(huì)的一個(gè)過(guò)程。參考文獻(xiàn)1王現(xiàn)銀.聚合物微環(huán)諧振波分復(fù)用器傳輸特性的理論分析.光學(xué)學(xué)報(bào), 2005.22楊建義.串聯(lián)雙環(huán)光微諧振