非對稱雙環(huán)-光電子課程設計

課程設計任務書學生姓名：胡康哲專業(yè)班級：電子1103指導教師：曠海蘭工作單位：信息工程學院題目：非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析初始條件：具有光電子技術的基本理論知識及較強的實踐能力；對光纖技術有一定的了解；計算機；beamprop軟件或Fullwave軟件。要求完成的主要任務：1.學習beamprop或Fullwave軟件；2.對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行理論學習并分析其濾波特性；3.用beamprop或Fullwave軟件對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行仿真；4.查閱篇參考文獻，按《武漢理工大學課程設計工作規(guī)范》要求完成課程設計報告，正文10-15頁，用A4紙打印。時間安排：1．2014年12月15日布置課程設計任務，完成選題；2．2014年12月16日至2014年12月19日學習beamprop或Fullwave軟件，完成資料查閱，復習與選題內容相關的基本理論知識；3.2014年12月20日至2014年12月25日對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行仿真工作，完成課程設計報告撰寫；4.2014年12月26日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日目錄HYPERLINK摘要 緒論光通信是用光作為信息的載體來傳遞信號。1960年美國科學家梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺紅寶石激光器[1]，2009年的諾貝爾物理學獲得者高琨(CharlesK.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，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]，通信領域進入了一個嶄新的時代——光纖通信技術時代。隨著光纖通信技術的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術在于光波導器件的微型化、集成化和規(guī)?；?，與此同時未來全光網(wǎng)絡迫切需要能夠實現(xiàn)多種功能的新型光波導器件，例如能同時實現(xiàn)光學濾波器、延遲線、緩存器和各種全光信號處理的基本單元，通過大規(guī)模集成該單元在一個襯底上實現(xiàn)功能強大的光子學“片上系統(tǒng)”。微環(huán)諧振器(簡稱微環(huán))滿足了上述兩個要求，其微納米量級的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成，同時能實現(xiàn)包括濾波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長復用/解復用器、光開關、調制器、波長轉換器、碼型轉換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強大，因此微環(huán)己成為光纖通信和集成光學領域的研究熱點之一。由于采用單環(huán)光諧振器的光濾波器在通帶結構上固有的局限性，人們提出了采用多環(huán)串聯(lián)耦合或并聯(lián)耦合結構的高級次光諧振器來改善通帶結構,相對其它高級次結構，二級微環(huán)具有最為簡單的調諧要求。本次課設將對雙環(huán)耦合結構的二級光諧振器（簡稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特性進行分析。首先給出雙環(huán)光微諧振器的傳遞函數(shù)；在此基礎上進行其濾波特性分析，明確環(huán)與環(huán)間和環(huán)與輸入輸出光引導波導間的光功率耦合大小對濾波特性的影響，清晰通帶結構及可控性，比較相對單環(huán)諧振濾波器的不同與改進。本次課設主要研究微環(huán)諧振器的基本結構，簡要介紹了它的概念和應用，其中重點介紹了它的濾波特性。2雙環(huán)微環(huán)諧振器如圖2．1，雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結構圖2.1雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結構tl，k1為入射直波導和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為兩個環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個環(huán)和出射直波導的傳輸系數(shù)和耦合系數(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。下面推導雙環(huán)Drop端的輸出，先看靠近入射波導的環(huán)。再看靠近輸出波導的環(huán)，可得Drop端的輸出。3軟件簡介Beamprop

是一個高度集成了計算機輔助設計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設計集成光學波導元件和光路。此軟件使用先進的有限差分光束傳播法來模擬分析光學器件。用戶界面友好，分析和設計光學器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設計光波導元件和光路CAD設計系統(tǒng)，且可控制相關的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、輸入場以及各種顯示、分析功能選項。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內或獨立執(zhí)行模擬分析工作，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是一高度整合之復雜光子組件仿真設計分析軟件，它使用－有限差分時域之模擬分析方法，藉以分析一般光束傳播法所無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公司所開發(fā)的

BeamPROP

與

FullWAVE

軟體，兩者實際上是具有互補之作用。其主控程序為

BeamPROP

之

CAD

Layout

系統(tǒng)，用來設計光波導組件及光路，亦即

BeamPROP

與

FullWAVE

共享同一個

CAD

Layout

程序。4濾波特性仿真4.1新建一個電路圖打開軟件RsoftCADLayout，新建一個電路圖，設置全局參數(shù)如下圖4.1:圖4.1全局設置選擇仿真工具為fullWAVE/FDTD。其中1.55是真空中的波長，1是真空折射率，2.5是折射率變化值，兩個值加起來是波導環(huán)的折射率3.5，波導寬度設置為0.2。4.2定義參數(shù)和變量點擊“EditSymbols”按鈕進行變量定義，如圖4.2所示：圖4.2定義變量先新建一個符號，然后設置名字和值，然后點擊AcceptSymbol確定。最后點擊OK確定所有變量設置完畢。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分別是兩個環(huán)的內圓半徑，width是環(huán)的寬度。4.3濾波器設置然后進行濾波器的繪制，每個部分分別都要進行設置。通過右鍵點擊每個部分就可以修改參數(shù)。點擊Options-Insert-lens設置圓環(huán)的參數(shù)，先設置內圓，后設置外圓，否者會出現(xiàn)變量未定義等錯誤。設置完后右鍵內圓選擇more設置內圓顏色為黃色，便于和外圓區(qū)別。4個圓的參數(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設置完圓環(huán)后，可以選擇直線畫圖，再右鍵設置參數(shù)，也可以點擊Options-Insert-Segment設置圓柱的參數(shù)。左邊圓柱的參數(shù)設置如圖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)設置完圓柱和圓環(huán)波導后，再點擊Options-Insert-TimeMonitor設置兩個節(jié)點的監(jiān)視點。4.4完整CAD圖在以上參數(shù)全部設置好后，圖紙上會出現(xiàn)完整的光波導圖，如圖4.5所示：圖4.5非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器由上圖可知兩個圓環(huán)波導的半徑不一樣，兩邊的兩個圓柱波導通過兩個非對稱雙環(huán)微環(huán)耦合，右邊的波導通過雙環(huán)和左邊的波導產生諧振，并實現(xiàn)濾波功能。通過比較信號源和兩個采樣點的信號，可以分析其濾波特性。在圖紙畫好后，參數(shù)檢查無誤后，接下來可以查看折射率分布和進行仿真。4.5折射率分布點擊DisplayIndexProfile查看折射率的分布，查看模式選擇xz坐標，如圖4.6所示：圖4.6設置展示模式點擊OK確認，出現(xiàn)總體的折射率分布，如圖4.7所示：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X=0時Z方向的折射率分布如圖4.8：圖4.8X=0，Z的折射率分布因為X=0，Z方向都是真空，所以折射率都是1.當Z=0是X方向折射率如圖4.9所示：圖4.9Z=0，X的折射率分布如圖可見在圓柱和圓環(huán)處折射率為3.5，其他地方為1.4.6仿真點擊performsimulation彈出窗口如圖4.10所示：圖4.10仿真設置注意設置outputprefix（輸出文件名），還可以設置仿真速度。因為是FTDT法仿真，所以時間較久。在仿真完成后，通過viewgraphs查看仿真結果。仿真過程中如下圖4.11，4.12：圖4.11仿真圖4.12仿真仿真完成后會生成剛才命名的文件。用viewgraphs打開，如圖4.13和4.14所示：圖4.13仿真結果圖4.14仿真結果圖中紅線是信號源，綠線是輸出的監(jiān)視節(jié)點值，藍線是輸入處的監(jiān)視值。由圖4.13，最終輸入輸出值都趨于穩(wěn)定，由圖4.14，輸出沒有了信號源的高頻成分，即實現(xiàn)了濾波功能。4.7改變折射率多次仿真通過改變折射率delta，可以尋找輸出功率最大時波導的折射率。由于仿真次數(shù)較多，時間較長，這里只掃描了幾個折射率的值，結果如圖4.15：圖4.15折射率掃描結果由圖可知，當delta取值2.1時輸出最大，即波導折射率為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心得體會此次選擇的題目是“非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析”，選題之后在通過查詢資料，然后在Rsoft

CAD軟件下繪出對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器模型圖，修改相關參數(shù)，使其適應本次的設計，觀察仿真的數(shù)據(jù)是否符合設計要求。通過此次設計，了解了雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性，學習了利用軟件模擬和仿真，減少了利用實際光路的麻煩。在做本次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的設計資料是十分必要的。雖然自己對于這門課懂的并不多，很多基礎的東西都還沒有很好的掌握，覺得很難，也沒有很有效的辦法通過自身去理解，但是靠著這一個多禮拜的“學習”，在小組同學的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產生了些許的興趣，自己開始主動學習并逐步從基礎慢慢開始弄懂它。我認為這個收獲應該說是相當大的。覺得課程設計反映的是一個從理論到實際應用的過程，但是更遠一點可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學校轉到踏上社會的一個過程。參考文獻[1]王現(xiàn)銀.聚合物微環(huán)諧振波分復用器傳輸特性的理論分析.光學學報,2005.2[2]楊建義.串聯(lián)雙環(huán)光微諧振器的濾波特性.光學學報,2003.2[3]明海.光電