武漢理工大學單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析 (1)

1、武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名：學生姓名： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電子電子 11011101 班班 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 我屮艸芔茻我屮艸芔茻 工作單位：工作單位： 信息工程信息工程 題題 目目: : 單環(huán)單環(huán) 微環(huán)微環(huán) 諧振濾波器的濾波特性分析諧振濾波器的濾波特性分析 初始條件：初始條件：計算機、Rsoft 軟件要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：2 周2、技術(shù)要求：（1）學習 Rsoft 軟件。（2）設(shè)計單環(huán)微環(huán)諧振濾波器（3）對單環(huán)微環(huán)諧振濾波的濾波特性進行分析并使

2、用 Rsoft 軟件進行仿真。3、查閱至少 5 篇參考文獻。按武漢理工大學課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用 A4 紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計目目 錄錄摘 要1ABSTRACT2一、緒論3二、微環(huán)諧振濾波器42.1 微環(huán)諧振腔簡介 42.2 微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu) 42.3 微環(huán)諧振濾波器的工作原理 52.4 微環(huán)諧振濾波器傳輸光譜的性能參數(shù) 62.5 單環(huán)諧振濾波器傳輸特性的分析 72.6 單環(huán)諧振濾波器傳遞函數(shù)的推導(dǎo) 7三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析93.1 Rsoft 軟件介紹 93.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置 93.3 單環(huán)微環(huán)諧振濾波

3、器的仿真133.4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的參數(shù)掃描仿真17四、心得體會 19參考文獻 20武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計1摘摘 要要網(wǎng)絡(luò)時代的迅速發(fā)展推動通信技術(shù)的飛速進步，密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)解決了管線通信主干網(wǎng)絡(luò)的大容量問題?，F(xiàn)代的光通信向著更高容量、更高速發(fā)展。集成光學將光通信器件模塊化、小型化且大規(guī)模集成光路是未來光通信的發(fā)展方向之一。近些年來光學微環(huán)以大規(guī)模集成光路的重要結(jié)構(gòu)成為了人們的關(guān)注焦點。它功能多，結(jié)構(gòu)緊湊，有著很大的發(fā)展?jié)摿?。研究微環(huán)諧振腔最典型的方法是在麥克斯韋電磁方程組基礎(chǔ)上發(fā)展起來的耦合模理論，這種方法無論是在空間還是在時間上都可以用實驗的方法來實現(xiàn)。但是在研究

4、多環(huán)系統(tǒng)時顯得比較繁瑣，不利于實際應(yīng)用。本文中運用了一種簡便、直觀的圖示法信號流程圖法（SFG），對單環(huán)微環(huán)諧振腔的濾波特性進行分析。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：波導(dǎo)光學；信號流程圖；微環(huán)諧振腔；光濾波器武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計2AbstractWith the rapid development of communication technologies, Dense Wave Division Multiplexing(DWDM) is being utilized to construct a high-capacity optical fiber communication. Modern o

5、ptical communications become higher capacity, and develop more rapidly.The devices in integrated optics will be modularized. The very large scale of integration on photonic circuits (VLSI-PCs) is one of development directions of the optical communications in the future. In recent years, people focus

6、 on the implement of VLSI-PCs.The mieroring resonators as a basic module with a lot of merits in VLSI-PCs,have great potential for development.The typical researching approach to micro-ring resonator is the coupled mode theory which is based on Maxwell equations.The method either in space or in time

7、 can be expressed by experiment.However,studying multi-ring system with the approach more complicated,so it is not fit for practical application In this paper,a simple,intuitive graphic method called signal flow graph method to analyze the output characteristics of micro-ring resonator.KeyKey wordwo

8、rd：Waveguide optics;signal；flow graph；micro-ring resonator武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計3一、緒論上個世紀末全球的信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，隨著下一代網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展到第三個世界，及服務(wù)層面上的 IP 世界、傳遞層面上的光的世界和接入面上的無線世界，在這種形勢下，人們對信息量的要求日益增加，對信息傳輸系統(tǒng)帶來了壓力和動力。高速、高效、大容量的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。光是面前人們發(fā)現(xiàn)最理想的信息載體，不僅速度快，而且具有很高的帶寬，正滿足了如今的發(fā)展趨勢。但是由于目前光信號處理的困難和復(fù)雜性，一般的通信仍然只是在大容量的干線上

9、采用光網(wǎng)絡(luò)，借助光纖通信【1】實現(xiàn)大容量、超遠距離的信號傳輸，而要對信號進行處理時，都必須完成光信號到電信號，處理完畢后再將電信號轉(zhuǎn)為光信號，這里的光電光轉(zhuǎn)換過程極大地限制了信號的傳輸速度，而且很大程度上依賴與電信號的處理速度，無法完全發(fā)揮光層面上的優(yōu)勢。因此在如今信息爆炸的網(wǎng)絡(luò)時代，全光網(wǎng)絡(luò)呼之欲出，它不僅消除了光電光轉(zhuǎn)換所需要的時間，而且能打破電傳輸時的瓶頸，使得光網(wǎng)絡(luò)在通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展上有著更大的潛力，是當今通信系統(tǒng)的研究方向之一。集成光學對全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到了很重要的作用、集成光學的概念最早是由美國Bell 試驗室的 Milier 在1969年提出，其主要目的是在一個平面襯底上將各種功能

10、的光器件集成起來，從而實現(xiàn)光學系統(tǒng)的微型化、集成化和規(guī)?；?。而本論文所研究單環(huán)上下載型微環(huán)諧振濾波器的特性，可以極大地方便光通信的器件的使用，必將推動全光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。本章研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡要介紹了他的概念和應(yīng)用，其中重點介紹了作為光學濾波器的應(yīng)用。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計4二、微環(huán)諧振濾波器二、微環(huán)諧振濾波器2.12.1 微環(huán)諧振腔簡介微環(huán)諧振腔簡介微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)為如圖 2-1 所示的單環(huán)結(jié)構(gòu)，其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)由多個單環(huán)結(jié)構(gòu)并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成。僅由一條直波導(dǎo)和微環(huán)組成的微環(huán)諧振腔為全通型微環(huán)諧振腔（如圖 2-1（a） ） 。其特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，便于分析，它主要用于延遲線、緩存器、

11、調(diào)制器等。全通型微環(huán)諧振腔加載一個上/下載波導(dǎo)便成為了上/下載型微環(huán)諧振腔，其功能更加強大，運用更加廣泛。當前對微環(huán)諧振腔的研究普遍為上/下載型。(a) 全通型微環(huán)諧振腔； (b) 上下載型微環(huán)諧振腔圖 2-1 微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意圖2.22.2 微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)單環(huán)諧振器是微環(huán)諧振濾波器中最基本的結(jié)構(gòu),方向耦合器是構(gòu)成微環(huán)濾波器的基本單元,單環(huán)諧振濾波器結(jié)構(gòu)如圖2-2所示,它由兩個參數(shù)相同的方向耦合器和一個微環(huán)波導(dǎo)構(gòu)成。有不同波長的復(fù)信號光從主信道輸入端口輸入并耦合進入微環(huán)后，其中只有一個波長的光能滿足諧振條件而引起諧振，耦合進入下信道或豎直信道后，以這一諧

12、振波長的輸出光強為最大從而完成了濾波功能。用作光濾波器的單環(huán)微環(huán)諧振器的基本構(gòu)成包括，一個光微環(huán)以及分別與微環(huán)相耦合的用于光波輸入與輸出的光引導(dǎo)波導(dǎo)。圖2-2所示是采用單環(huán)微環(huán)諧振器的光濾波器常用結(jié)構(gòu)，其中采用了定向耦合器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩根引導(dǎo)波導(dǎo)與微環(huán)間的耦合。在圖2-2中，要求光波導(dǎo)為單模波導(dǎo)。定義和分別為衡量兩引導(dǎo)波導(dǎo)與微環(huán)間光波耦合量的出入環(huán)光耦合系數(shù)，單位功率光1K2K波由定向耦合器的一支波導(dǎo)輸入時，從另一支波導(dǎo)耦合輸出的分量（在此，不計入光武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計5波傳輸損耗）分別為和 。11K22Kk圖 2-2 單微環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)2.32.3 微環(huán)諧振濾波器的工作原理微環(huán)諧振濾波器

13、的工作原理根據(jù)上圖 2-2 中所示，由光波導(dǎo)耦合模理論可得: （1） 100A = 1 kAj kB （2）100B =j kA1 kB式中,、 為方向耦合器的輸入光復(fù)振幅,、為方向耦合器的輸出光復(fù)振0A0B1A1B幅, k 為方向耦合器的功率耦合比。設(shè)微環(huán)波導(dǎo)的周長是 l ,則有 （3）21B =B expjexpl/2) （）（式中,為光波經(jīng)過 l/ 2 彎曲波導(dǎo)的相位延遲,為微環(huán)波導(dǎo)的彎曲損耗系數(shù)。1B經(jīng)第二個方向耦合器的耦合,得到 （4）321BkB （5）32Cj kB （6）03exp()BBj 和分別是微環(huán)共振濾波器的下行端(drop) 和上行端(throughput) 的濾波3

14、C1A輸出振幅。聯(lián)立以上六個公式求得微環(huán)諧振濾波器的歸一化功率輸出: (7)22412240(1)(12cos)12(1)cos(1)thrAkuuPkkuA= （8）2320droCPA2222221(1)4(1)sin (/ 2)k uk uk u0A1Ak3C1B0B2B3Bk武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計6 exp(),22ul 分別表示波導(dǎo)的彎曲損耗和歸一化相位變化。微環(huán)共振濾波器的濾波效果主要由功率耦合比 k 和微環(huán)波導(dǎo)的彎曲損耗決定。2.42.4 微環(huán)諧振濾波器傳輸光譜的性能參數(shù)微環(huán)諧振濾波器傳輸光譜的性能參數(shù)為便于我們下一步的研究分析，在這里我們介紹一下表述微環(huán)諧振濾波器傳輸光

15、譜性能的五個基本的參數(shù)：（1）-3dB 帶寬或者半高全寬（FWHM）：即譜線功率相對于峰值下降 3dB 的時候，譜線對應(yīng)的兩波長之差或者透射率下降為最大值的一半時所對應(yīng)的兩波長之差。對于無損耗的微環(huán)諧振腔，-3dB 帶寬主要由耦合系數(shù)和光程差來決定。（2）自由光譜范圍（FSR）：指光譜中兩個相鄰的諧振峰之間的波長差。用來表征輸出光譜周期性的參數(shù)。（3）插入損耗（Insertion Loss）：指濾波器的輸出光功率相對于輸入光功率的損失量，插入損耗要越小越好。其表達式為： （9）outinTInsertion=10logT（4）消光比（Extinction ratio）：指光學濾波器在所有偏振狀

16、態(tài)下的最大輸出功率和最小輸出功率之比，可以用公式表示為： （10）maxminTExtinctionratio=10logT（5）形狀因子：用來描述濾波器輸出端和下載端的輸出譜線的，其被定義為 （11）1dBbandwidthShapefactor=10dBandwidth武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計72.52.5 單環(huán)型諧振濾波器傳輸特性的分單環(huán)型諧振濾波器傳輸特性的分析析按照上一節(jié)的闡述，我們可以把單環(huán)上/下載型諧振濾波器結(jié)構(gòu)看成如圖2-2所示，由兩個22的耦合器和環(huán)形反饋腔構(gòu)成。其信號流程圖則可以表示成為圖2-5所示。2C1js2js圖2-5 單環(huán)上下載諧振濾波器的信號流程圖其中，為輸

17、入端結(jié)點，和分別表示輸出端結(jié)點和下載端結(jié)點。第1( )E z2( )Ez8( )E zi 個耦合器的耦合系數(shù)用表示，而每個耦合器的插入損耗都可以用 來表示，那么iK傳輸路徑的增益可以表示為：。同理，耦合路徑的增益則可以由(1)(1)iiCK來表示。光沿著環(huán)形反饋腔（閉合路徑）傳遞的增益與全(1)(1)iijsjk 通型單環(huán)諧振腔相同。同樣，其自由譜寬也可以由（11）式來表示。2.62.6 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器傳遞函數(shù)的推導(dǎo)單環(huán)微環(huán)諧振濾波器傳遞函數(shù)的推導(dǎo)平行信道單環(huán)上/下載型諧振濾波器的輸出端和下載端相對于輸入端2( )Ez8( )E z的傳遞函數(shù)可以由梅森公式推導(dǎo)得出。1( )E z（A）從輸

18、入端到輸出端的傳遞函數(shù)：根據(jù)圖 2-5 可知，其中包含一21( )/( )EzE z個獨立的閉環(huán)，可以表示為： (12)11 2Lc c對于輸出端來說，從結(jié)點 1 到結(jié)點 2 的向前路徑，以及和它互不接觸的閉環(huán)的圖行列式可以表示為：8E z（）1C1E z（）2Ez（）武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計8 (13)22 1kTc s 11 (14)1211211 211tTcLc c 按照（10）式，依梅森公式我們可得信號流程圖的圖行列式： 21111ccL （15）將（13）（15）式代入（11），則圖2-5所示的輸出端的傳遞函數(shù)可以表示為 （16）31211 2()()1tEccHEc c（B

19、）從輸入端到下載端的傳遞函數(shù)：對于下載端來說，僅有一個81( )/( )E zE z向前路徑，而且與（13）式所給出的僅有的一個閉環(huán)相接觸。因此，我們可以得出： （17）11 211dTs s 武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計9三、三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析仿真與分析3.13.1 RsoftRsoft 軟件介紹軟件介紹RSoft 是一款非常實用的光波導(dǎo)仿真軟件。其中包含了 BPM,FDTD,FEM 等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用 RSoft 算法集中的 BPM 算法對光波導(dǎo)和簡單光波導(dǎo)器件進行仿真計算，從而對光在波導(dǎo)中的傳

20、輸有一定得了解。下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運行 Beamprop5.1.8 安裝文件文件夾中的Setup.exe 即可進行安裝，安裝完后打開 Rsoft CAD-layout 即出現(xiàn)如下圖所示的 CAD界面。此界面是定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下一步計算的前提。圖3-1 CAD 界面3.23.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置模擬環(huán)境的基本設(shè)置在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，點擊后彈出基本設(shè)置對話框，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。Waveguide Model Dimension 項選擇2D，Simulation Tool 項由于此次設(shè)計的波導(dǎo)中有環(huán)形波導(dǎo)，所以此項選擇FullWAVE/F

21、DTD 項，包層折射率為1（包層和芯層的折射率差為2.5） ，通信波長為1.5um。參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示.武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計10 圖3-2 參數(shù)設(shè)置界面在設(shè)置好全局參數(shù)之后接下來就需要對 Time Monitor 的參數(shù)進行設(shè)置了，點擊菜單欄的 Options/Insert/Time Monitor 進入設(shè)置界面，如圖3-3所示圖3-3 Time Monitor 設(shè)置界面武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計11在 Time Monitor 的設(shè)置界面中首先是位置設(shè)置，都選用 offset 方式，接下來是時域觀察選項，選擇 Power 即選擇觀察光功率。Time Average 項選擇

22、Yes，下面的SpatialOutput 項也選擇 Power，在右側(cè)的 Frequency Analysis 項選擇 DFT，最后點擊OK。設(shè)置好參數(shù)之后即可開始進行單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的繪制，最后繪制好的濾波器圖形如下圖3-4中所示。 圖3-4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器光路圖設(shè)置光源的特性和觀察的路徑。首先設(shè)置路徑，單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Pathways”按鈕。單擊后左側(cè)工具欄會變成路徑設(shè)置欄。點擊”New”按鈕，會新建一個路徑，再左鍵點擊我們畫好的波導(dǎo)，使路徑與波導(dǎo)相一致（此時波導(dǎo)會變綠色） ，此次我們定義一條 Pathway 來作為后面 Launch field 的輸入波導(dǎo)，如圖 3-

23、5 所示。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計12圖3-5 設(shè)置路徑跟波導(dǎo)一致最后單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Launch Field”按鈕進行光源的設(shè)置，單擊后會彈出輸入光源的設(shè)置對話框。選取波導(dǎo)的基模即可，如圖 3-6 所示。圖 3-6 Edit Launch Field 設(shè)置界面武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計13設(shè)置完成點擊”O(jiān)K” 。至此，模擬環(huán)境已基本設(shè)置完畢。再模擬前，要需先將文件保存下來。點擊左上角”Save”按鈕即可，注意在文件保存的路徑中不允許出現(xiàn)空格和中文3.33.3 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真為了驗證波導(dǎo)參數(shù)的正確性，我們需要查看波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)。點擊左側(cè)

24、工具欄下方的”Display Index Profile”按鈕，選擇 Display Mode 為”Contour Map (XZ)”模式，如下圖 3-7 中所示，輸入要保存文件的前綴名，并點擊”O(jiān)K” ，即可看到波導(dǎo)橫截面的折射率分布，最后波導(dǎo)折射率分布圖如圖 3-8 所示，折射率曲線圖如圖 3-9 所示。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計14圖 3-7 仿真參數(shù)設(shè)置界面圖 3-8 波導(dǎo)橫截面的折射率分布武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計15圖 3-9 波導(dǎo)橫截面的折射率曲線 從折射率曲線我們可以看到有四條豎線折射率達到了 3.5，其他位置的折射率都為1，這是因為這四條豎線分別屬于兩條直波導(dǎo)和中間的

25、環(huán)形波導(dǎo)所在的截面的折射率是3.5，而背景折射率是 1，所以才會顯示這種圖形。最后便是波導(dǎo)的仿真操作了，點擊工作截面左側(cè)的 Perform Simulation，在出現(xiàn)的設(shè)置界面中設(shè)置好各項參數(shù)，如圖 3-10 所示，設(shè)置好參數(shù)之后在 Output Prefix 中輸入保存的文件名，最后點擊 OK 就能出現(xiàn)仿真的顯示界面，單環(huán)微環(huán)濾波器的仿真圖如圖 3-11 所示，頻譜分析圖如圖 3-12 中所示。圖 3-10 Perform Simulation 設(shè)置界面武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計16圖 3-11 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器仿真武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計17圖 3-12 頻譜分析從 3-11

26、 的濾波器仿真圖中可以看出，兩種模式的輸入光波最后在輸出的光波中有一種光功率一直是 0 而另一種一直在接近 1 的附近，這表明經(jīng)過微環(huán)濾波器之后其中一種模式的光波被濾掉了，而另一種光波得以通過。仿真結(jié)果表明，該濾波器微環(huán)與波導(dǎo)發(fā)生了耦合并產(chǎn)生諧振，從輸入波導(dǎo)中選取了預(yù)測頻率，輸出波導(dǎo)頻率與預(yù)測數(shù)值相同，該單環(huán)微環(huán)諧振濾波器確有濾波作用。3.43.4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的參數(shù)掃描仿真單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的參數(shù)掃描仿真在上一步的仿真中只是取一種波導(dǎo)參數(shù)的結(jié)果，如果需要改變波導(dǎo)參數(shù)，則需要重新作仿真，所以接下來需要進行的是參數(shù)掃描仿真，點擊軟件工作界面的 Perform Parameter Scan

27、進入?yún)?shù)掃描仿真的界面，如圖3-13所示。圖3-13 參數(shù)掃描仿真設(shè)置界面在設(shè)置界面依次設(shè)置好需要掃面的變量名稱、起始值、終止值，掃描間隔以及保存的文件名稱之后點擊下方的 OK 便能讓計算機自動進行掃描。如上圖3-13中，掃描的變量名為 delta（折射率之差），掃描起始值為1.5，終止值為3.5，掃描間隔為0.1，保存文件的名稱為 indexscan1，最后掃描完成后的曲線圖如圖3-14中所示。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計18圖3-14 delta 變量的參數(shù)掃描結(jié)果從上圖3-14中可以看出，本次掃描從1.5到3.5一共進行了20次，從掃描的結(jié)果可以看到，在本次掃描的精度內(nèi)，delta（折射率之差）在1.7左右時，單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波效果最好。武漢理工大學光電子技術(shù)課程設(shè)計195.心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),