對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振器濾波特性分析(光電子課程設(shè)計(jì))

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 周 鑫 專業(yè)班級(jí)： 電子科學(xué)與技術(shù)0901 指導(dǎo)教師： 葛華 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: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：計(jì)算機(jī)、Fullwave軟件要求完成的主要任務(wù): 1.課程設(shè)計(jì)工作量：2周2.技術(shù)要求：學(xué)習(xí)Fullwave軟件設(shè)計(jì)對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振器模型對(duì)對(duì)稱雙環(huán)微環(huán)諧振器模型進(jìn)行仿真工作。查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄目錄 0摘要 11 緒論 32 理論模型與公式推導(dǎo) 42.1 振幅耦

2、合比率的推倒 4 4 52.2 并聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振器輸出光譜的推導(dǎo) 62.3 串聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器輸出光譜的推導(dǎo) 73 雙環(huán)諧振器濾波特性分析 93.1 并聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析 93.2 串聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析 93.3 結(jié)論 104 RSoft仿真對(duì)稱微環(huán)諧振器 114.1 軟件CAD介紹 114.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置 114.3 對(duì)稱微環(huán)諧振器仿真模擬 135 心得體會(huì) 15參考文獻(xiàn) 16摘要設(shè)計(jì)一種新型環(huán)諧振器，其基本結(jié)構(gòu)由圓角正方形波導(dǎo)與條形波導(dǎo)組成，根據(jù)波導(dǎo)光學(xué)的耦合模型理論，推導(dǎo)出雙環(huán)串聯(lián)和雙環(huán)并聯(lián)的圓角正方形微環(huán)諧振器的光強(qiáng)傳遞函數(shù)，并通過數(shù)值模擬分別獲得這

3、兩種模型的諧振器的輸出特性。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的圓環(huán)形諧振器相比，圓角正方形結(jié)構(gòu)微環(huán)諧振器的輸出光譜的通帶寬、諧振峰平坦、自由光譜區(qū)范圍大，更接近理想的“箱型”波普，而且圓角正方形結(jié)構(gòu)相比于圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，其可變參數(shù)增多，更有利于期間的優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：波導(dǎo)光學(xué)；微環(huán)諧振器；傳輸光譜；波導(dǎo)耦合Abstractthe design of a new type ring resonator, its basic structure is composed of rounded square waveguide and waveguide components, according to the theo

4、ry of optical waveguide coupling model, deduced from the double tandem and double parallel rounded square micro ring resonator intensity transfer function, and the numerical simulation were obtained with the two model of the resonator output characteristics. The results show that, compared with the

5、traditional annular resonator, rounded square structure micro ring resonator output spectrum width, resonant peak flat, free spectral range, much closer to the ideal of "box" pop, and rounded square structure compared to a circular structure, the variable parameter increases, more conduciv

6、e to the optimization period design.Key words: optical waveguide; resonator; transmission spectrum; waveguide coupling1 緒論隨著現(xiàn)代光通信技術(shù)的發(fā)展，高集成度的光學(xué)器件在高速大容量通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用日益廣泛，因而，對(duì)各種功能的集成光學(xué)器件的研究受到越來越多的重視。自從 1969年 Marcatili1提出諧振微環(huán)的概念以來，光學(xué)微環(huán)諧振器由于尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小和良好的波長選擇性而獲得了廣泛的應(yīng)用，如光信號(hào)處理、濾波、波分復(fù)用、路由、調(diào)制和開關(guān)等。在實(shí)際應(yīng)用中，微環(huán)諧振器的

7、理想輸出光譜應(yīng)為“箱形 ”波譜，然而，從目前報(bào)道的單環(huán)結(jié)構(gòu)諧振器的研究來看，還不能完全滿足此要求。為此，許多學(xué)者通過串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)微環(huán)的方法，來解決單環(huán)存在的缺點(diǎn) ，或者在圓環(huán)的基礎(chǔ)上通過參數(shù)尋優(yōu)或改變微環(huán)的常規(guī)排列來優(yōu)化輸出波形。文中嘗試改變微環(huán)本身的結(jié)構(gòu)來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，即將傳統(tǒng)的圓環(huán)改為圓角正方形。首先，以耦合模理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)圓角正方形結(jié)構(gòu)的并聯(lián)雙環(huán)與串聯(lián)雙環(huán)諧振器的光強(qiáng)傳遞函數(shù)；以DNA聚合物為芯層材料，數(shù)值模擬輸出光譜，并與對(duì)應(yīng)條件下的圓環(huán)形諧振器的情形進(jìn)行比較。結(jié)果表明，圓角正方形微環(huán)諧振器具有較好的光譜輸出特性。 2 理論模型與公式推導(dǎo)2.1 振幅耦合比率的推倒雙環(huán)結(jié)構(gòu)的諧

8、振器中存在著微環(huán)間的耦合和微環(huán)與信道間的耦合。首先，考慮微環(huán)波導(dǎo)間的耦合情況，如圖1 所示。其中，圖(a為側(cè)面，圖(b為截面。微環(huán)波導(dǎo)的芯層寬度均為a，厚度為b，折射率為n1，下包層及左右包層的折射率為n2，上包層的折射率為n3。令A(yù)(L、A(-L、B(L、B(-L分別為如圖所示處光波的輸入輸出振幅，則有10：式中：k和t分別為振幅耦合比率和振幅透射比率,表示為：圖1 微環(huán)波導(dǎo)間的耦合示意圖當(dāng)兩個(gè)彎曲波導(dǎo)耦合時(shí)，耦合系數(shù)可表示為：式中：和分別表示兩個(gè)微環(huán)中光功率傳輸方向的單位矢量在z方向上的投影； K(z為兩個(gè)直波導(dǎo)平行耦合時(shí)的耦合系數(shù)。利用幾何方法，耦合系數(shù)可以看成是1的函數(shù)，即K(Z=K(

9、1 ，取L=R1，可得：上式中的k(1 可表示為：其中：且，是TE 模的傳播常數(shù)，分別為覆蓋層和底層中的消逝系數(shù)；為波導(dǎo)芯層中的波數(shù)，分別滿足以下特征方程：微環(huán)與信道的側(cè)向耦合如圖2 所示。圖2 微環(huán)與信道波導(dǎo)的耦合示意圖實(shí)際上，這是微環(huán)與微環(huán)側(cè)向耦合的特例。即令2=0，于是，得到：相應(yīng)的平行耦合系數(shù)為：2.2 并聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振器輸出光譜的推導(dǎo)平行信道并聯(lián)雙環(huán)諧振濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 并聯(lián)雙環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖它由兩個(gè)并聯(lián)的微環(huán)和兩條平行的信道組成。令微環(huán)中圓角波導(dǎo)的曲率半徑為R， 直波導(dǎo)長度為S， 信道長為2L1+L2，其中L1為信道端口到與其臨近合點(diǎn)的距離，L2為同一信道上兩耦合點(diǎn)間的

10、距離。微環(huán)與信道的模式傳播常數(shù)皆為，微環(huán)波導(dǎo)與信道波導(dǎo)模的復(fù)傳播常數(shù)分別為-jR和-jL，其中R為彎道波導(dǎo)的傳播損耗系數(shù)，L為直道波導(dǎo)的傳播損耗系數(shù)。圖中，amn和bmn分別表示各波導(dǎo)在分界面的振幅。a11、b12和b41分別表示上信道輸入輸出端口處光波輸入輸出振幅以及下信道輸出端口處光波輸出振幅。由上信道輸入端口至輸出端口的光強(qiáng)傳遞函數(shù)B2 和由上信道輸入端口至下信道輸出端口的光強(qiáng)傳遞函數(shù)D2，分別為：式中：則下信道傳輸光譜定義為：2.3 串聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器輸出光譜的推導(dǎo)串聯(lián)雙環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。微環(huán)圓角波導(dǎo)的半徑分別為R1和R2，信道長為2L1，其中L1為輸入端口到耦合點(diǎn)間的距離。圖

11、中，通過微環(huán)中心作與平行信道垂直的截面，上下兩條信道和微環(huán)中光波通過上述截面的輸入輸出振幅分別設(shè)為am和bm。a1、b1和b6分別為左信道的輸入輸出端口處光波的輸入輸出振幅及在右信道的輸出端口處光波的輸出振幅。令微環(huán)與信道之間的振幅耦合比率為1，微環(huán)與微環(huán)之間的振幅耦合比率為K2， 相應(yīng)的振幅透射比率為：和。圖4 串聯(lián)雙環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以得到從左信道輸入端口至輸出端口的光強(qiáng)傳遞函|B²| 及左信道輸入端口至右信道輸出端口的光強(qiáng)傳遞函數(shù)|D²| 分別為：式中：右信道的傳輸光譜定義為：3 雙環(huán)諧振器濾波特性分析3.1 并聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析設(shè)定振幅耦合比率=0.3時(shí)，圓

12、角正方形并聯(lián)雙環(huán)諧振濾波器和圓環(huán)形諧振濾波器的輸出光譜有，圓環(huán)形結(jié)構(gòu)輸出光譜的3dB 帶寬為0.92 nm,-1 dB/-10 dB 帶寬比值為0.329, 而圓角正方形波導(dǎo)并聯(lián)雙環(huán)的輸出光譜的3 dB 帶寬為1.33 nm,-1 dB/-10 dB 帶寬比值為0.867， 其諧振峰更加平坦，相對(duì)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，有助于消除二階色散效應(yīng)，減小濾波失真。圓角正方形結(jié)構(gòu)與圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的自由光譜區(qū)（FSR）范圍的區(qū)別。圓角正方形FSR22nm,而圓環(huán)結(jié)構(gòu)FSR14.8 nm。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，有時(shí)需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)對(duì)單一頻率濾波， 但增大FSR 范圍需要減小微環(huán)尺寸，這給制作工藝帶來一定困難，由以上結(jié)果

13、可見，圓角正方形的微環(huán)諧振器可在不減小尺寸的情況下有較大的自由光譜區(qū)范圍，為器件制作帶來便利。根據(jù)圓角方形結(jié)構(gòu)下信道的輸出光譜。自由光譜區(qū)范圍隨著微環(huán)直道長度的改變而改變， 例如當(dāng)s=R 時(shí)，F(xiàn)SR 約為22nm；s=4R 時(shí)，F(xiàn)SR 約為8 nm。另外，隨著微環(huán)直道的加長，輸出光譜的旁瓣被抑制得更低， 例如當(dāng)s=R 時(shí)， 非諧振峰達(dá)到-10 dB, 而s=4R 時(shí)，非諧振峰約降為-19 dB,同時(shí)，光譜通帶寬度相對(duì)減小。因?yàn)橹钡辣拳h(huán)道容易制作，所以通過改變圓角正方形結(jié)構(gòu)中直道的長度即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。3.2 串聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析設(shè)定環(huán)間振幅耦合比率1=0.2，環(huán)形與信道波導(dǎo)耦合比率

14、2=0.02 時(shí)， 圓角正方形串聯(lián)雙環(huán)諧振濾波器和圓環(huán)形諧振濾波器的輸出光譜可知，相對(duì)于圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，圓角正方形結(jié)構(gòu)的輸出光譜在中心頻率附近更加平坦， 其3 dB帶寬為0.2 nm,-1 dB/-10 dB 帶寬比值為0.560， 而圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的3dB 帶寬為0.13 nm,-1 dB/-10 dB 帶寬比值為0.436。圖9 給出了圓角正方形結(jié)構(gòu)與圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的自由光譜區(qū)范圍， 圓角正方形的FSR22 nm,而圓環(huán)結(jié)構(gòu)的FSR14.8 nm?？梢姡瑘A角正方形雙環(huán)串聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)與圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的特性變化與圓角正方形雙環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)相同。從圓角正方形結(jié)構(gòu)下信道的輸出光譜有，自由光譜區(qū)范圍隨著微環(huán)直道長度。的改

15、變而改變，例如當(dāng)s=R 時(shí)，F(xiàn)SR 約為23 nm,而當(dāng)s=4R 時(shí)，F(xiàn)SR 則減小到9 nm 左右。此外，也可以看到，隨著微環(huán)中直道波導(dǎo)長度的增大，諧振峰的滾降特性得到了明顯的改善。3.3 結(jié)論文中針對(duì)圓角正方形微環(huán)諧振濾波器結(jié)構(gòu)，根據(jù)耦合模理論，模擬分析圓角正方形波導(dǎo)組成的并聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)和串聯(lián)對(duì)稱雙環(huán)模型的輸出譜特性，并與圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的輸出特性進(jìn)行對(duì)比。通過比較發(fā)現(xiàn)，不管是雙環(huán)并聯(lián)對(duì)稱還是雙環(huán)串聯(lián)對(duì)稱情況，在同樣的設(shè)計(jì)參數(shù)下，圓角正方形結(jié)構(gòu)的輸出譜具有更加平坦的諧振峰、較大的自由光譜區(qū)和較大的帶寬，更接近理想的“箱形”波譜。特別是圓角正方形中的直波導(dǎo)長度參數(shù)，給器件設(shè)計(jì)帶來了更多的冗余度，為器

16、件的制備提供了工藝便利。4 RSoft仿真對(duì)稱微環(huán)諧振器4.1 軟件CAD介紹RSoft是一款非常實(shí)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(duì)光波導(dǎo)和簡單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真計(jì)算，從而對(duì)光在波導(dǎo)中的傳輸有一定得了解。下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運(yùn)行C:Program FilesRSoftbin文件夾中的bcadw32.exe，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(jì)算的前提。圖5 CAD界面4.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置在軟件中，點(diǎn)擊左上角的”New Circuit”按鈕，點(diǎn)擊

17、后彈出基本設(shè)置對(duì)話框，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。選著2D，包層折射率為1（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長為1.5um。畫出對(duì)稱微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖。圖6 對(duì)稱微環(huán)諧振器設(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(huì)變成路徑設(shè)置欄。點(diǎn)擊”New”按鈕，會(huì)新建一個(gè)路徑，再左鍵點(diǎn)擊我們畫好的波導(dǎo)，使路徑與波導(dǎo)相一致（此時(shí)波導(dǎo)會(huì)變綠色），如圖13。圖7 設(shè)置路徑與波導(dǎo)一致點(diǎn)擊”Monitors”按鈕，在彈出的小對(duì)話框中設(shè)置與路徑相匹配的探測器。完成后，點(diǎn)擊對(duì)話框的”O(jiān)K”按鈕回到路徑設(shè)置模式，再點(diǎn)擊左側(cè)的”O(jiān)K”按鈕

18、回到畫圖模式。單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Launch Field”按鈕進(jìn)行光源的設(shè)置，單擊后會(huì)彈出輸入光源的設(shè)置對(duì)話框。選取波導(dǎo)的基模即可。設(shè)置完成點(diǎn)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(diǎn)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。4.3 對(duì)稱微環(huán)諧振器仿真模擬為了驗(yàn)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(diǎn)擊左側(cè)工具欄下方的”Display Index Profile”按鈕，選擇Display Mode為”Contour Map (XZ”模式，輸入要保存文件的前綴名，并點(diǎn)擊”O(jiān)K”，即可看到波導(dǎo)橫截面的折射率分布。最后進(jìn)行波導(dǎo)光傳播的模擬。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄下方的”Perform Simulation”按鈕，并按圖進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，輸入要保存文件的前綴名，最后點(diǎn)擊”O(jiān)K”。圖8 波導(dǎo)橫截面的折射率分布仿真如圖9所示。圖9仿真圖最后仿真圖如圖10圖10 最后仿真圖5 心得體會(huì)經(jīng)過為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，完成了選題、理論基礎(chǔ)、軟件仿真、以及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，幾天的辛苦終于收的了最后的成果。此次選擇的題目是“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