whut單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析DOC

1、武漢理工大學光電子應用專項實踐說明書專項實踐任務書學生姓名： 真 知專業(yè)班級:電子1201指導教師： 灼 見工作單位：信息工程學院題 目:單環(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)的基本理論知識及較強的實踐能力；對光纖技術(shù)有一定的了解；計算機；Fullwave軟件。要求完成的主要任務：1. 學習Fullwave軟件；2. 設(shè)計單環(huán)微環(huán)諧振濾波器，并對其濾波特性進行分析；3. 用Fullwave軟件對單環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行仿真，并結(jié)合相關(guān)理論解釋仿真結(jié)果；4. 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)范要求完成課程設(shè) 計報告，正文10-15頁，用A4紙打印。時間安排：1.

2、 2015年6月29日布置課程設(shè)計任務，完成選題；2. 2015年6月30日至2015年7月3日學習beamprop軟件，完成資料查閱，復習與選題內(nèi)容相關(guān)的基本理論知識；3.2015年7月4日至2015年7月7日對單環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行設(shè)計仿真工作， 完成課程設(shè)計報告撰寫；4.2015年7月8日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)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:目 錄摘要 IABSTRACT II一、緒論 1二、微環(huán)諧振濾波器 22.1微環(huán)諧振腔簡介 22.2微環(huán)諧振濾波器的基本原理 22.3單環(huán)微環(huán)諧振濾波器諧振特性 3三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析 43

3、.1 FSoft軟件介紹 43.2模擬環(huán)境的基本設(shè)置 53.3單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真 8四、心得體會 11參考文獻 12武漢理工大學光電子應用專項實踐說明書摘要隨著人們對信息的需求越來越多，提高光纖通信容量和速度已經(jīng)成當前亟待解決的 問題。大規(guī)模集成光學作為未來全光網(wǎng)絡的重要組成部分，其發(fā)展無疑對這一問題的解 決有著重大意義。微環(huán)諧振腔以其功能多樣、結(jié)構(gòu)簡潔、集成度高等特點已經(jīng)成為集成 光學領(lǐng)域的研究熱點。本文介紹的是通過Fullwave軟件進行諧振濾波器的光譜仿真，F(xiàn)ullwave是一款實 用性非常強的光學應用軟件，本文包含 Fullwave軟件的介紹、微環(huán)諧振濾波器的原理 以及其濾波特性

4、仿真。關(guān)鍵詞：波導光學；微環(huán)諧振腔；光濾波器I武漢理工大學光電子技術(shù)專項實踐說明書AbstractWith more and more in creas ing dema nds for in formati on, enhancing the capacity and speed of the optical fiber com muni cati on has become a problem to be urge ntly solved. Large-scale integrated optics is an important part of all-optical networks,

5、 its development un doubtedly has great sig nifica nce in sol ving this problem.The micro-ri ng res on ator with multiplex function, structural simplicity and high integration has become a research focus in the fields of in tegrated optics.This article describes the spectrum of the resonant filter F

6、ullwave software simulation, Fullwave is a very strong practical optical applications, contains the Fullwave software, the sim ulation of the principle of the resonant filter and filter characteristics.Key word: Waveguide optics; flow graph； micro-ri ng res on atorII武漢理工大學光電子技術(shù)專項實踐說明書一、緒論21世紀是一個信息爆炸

7、的時代，信息技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)鍵技術(shù)之一， 并隨著人們信息交流形式的日益廣泛，信息交流量的急劇增多，迫切的需要進一步的提 高網(wǎng)絡通信容量。光纖通信是采用光纖進行信息傳輸?shù)囊环N技術(shù)，伴隨著20世紀70年代高性能半導體激光器和低損耗光纖出現(xiàn)而得到了廣泛的研究和發(fā)展。它具有頻帶寬、損 耗低、泄露小、抗電磁干擾性能強和原材料來源豐富等特點。特別是隨著20世紀90年代DWD的廣泛應用，使光纖的信息傳輸容量得到了極大地提高。目前， 400Gbit/s系統(tǒng)已 經(jīng)實用化，而在實驗傳輸速度已經(jīng)實現(xiàn)了 10 Tbit/s ，這說明光纖通信網(wǎng)絡在信號傳輸 領(lǐng)域有著無與倫比的優(yōu)勢。但是當前在信號交換時依然需

8、要進行光/電和電/光之間的轉(zhuǎn) 換，這不僅極大地限制了光纖系統(tǒng)的通信速率和網(wǎng)絡資源的利用率，而且使設(shè)備復雜， 成本提高。考慮到這些現(xiàn)實，有關(guān)專家提出了全光網(wǎng)絡的概念。全光網(wǎng)絡是指信號從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸和交換全部以光的形式完成，以光節(jié) 點取代了現(xiàn)有網(wǎng)絡的電節(jié)點，使網(wǎng)絡中不存在光電或電光轉(zhuǎn)換過程，從而充分的發(fā)揮光 纖通信的速度優(yōu)勢。集成光學對全光網(wǎng)絡的發(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實驗室的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)模化。而本次光 電子技術(shù)專項實踐所研究的單環(huán)微環(huán)諧振腔

9、正具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、插 入損耗小、串擾低等特點，因此近幾年逐漸成為了集成光學領(lǐng)域的研究熱點。1969年, Bell實驗室的Marcatili在他的文獻里提出微環(huán)諧振腔的概念和結(jié)構(gòu)。但是由于波導平面工藝水平的限制，微環(huán)諧振腔的研究與應用在很長一段時間內(nèi)一直停 滯不前。直到近些年，隨著制作工藝的迅猛發(fā)展，基于微環(huán)諧振腔的各種功能性器件才 得以實現(xiàn)，微環(huán)諧振腔在光波導器件中的重要作用也逐漸顯現(xiàn)出來了。如今微環(huán)諧振腔 已成為國內(nèi)外學者研究熱點，特別是在濾波器和波分復用器方面做了大量的理論和實驗 研究2。本次專項實踐將闡述微環(huán)諧振濾波器的原理以及應用Fullwave軟件研究其濾波特性。二

10、、微環(huán)諧振濾波器2.1微環(huán)諧振腔簡介微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)為如圖1所示的單環(huán)結(jié)構(gòu)，其他復雜結(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1a）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、調(diào)制器等。全通型微 環(huán)諧振腔加載一個上/下載波導便成為了上/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。 而上/下載型波微環(huán)諧振腔又 根據(jù)兩信道波導的位置可分為平行信道（如圖1b）和豎直信道（如圖1（c）兩種結(jié)構(gòu)*愉人輸入44r卜菠微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意圖圖1輸人152.2微環(huán)諧振濾波器的基本原理2所示，

11、它由兩根直波導微環(huán)諧振濾波器具有非常簡單，緊湊的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖和一個環(huán)形的彎曲波導構(gòu)成。如圖 2,光從通道1入射，達到直波導與環(huán)構(gòu)成的第一個耦合區(qū)，部分光耦合到環(huán)形波導內(nèi)，傳輸?shù)较乱粋€直波導與環(huán)形波導構(gòu)成的耦合區(qū)，光 由C端口輸出。當入射波長滿足在環(huán)內(nèi)的諧振條件 （即波長的整數(shù)倍等于環(huán)一周的光程時，光由C端口輸出；不滿足諧振條件的光從 B端口輸出。因而微環(huán)諧振器對定波長的 光起濾波的作用，其最基本的用途是實現(xiàn)濾波。如圖 2,由端口 A入射一定波長范圍的光，特定的波長（滿足諧振條件）由C端口輸出，也就是說光經(jīng)過微環(huán)諧振器，含有特定 信息的光下傳到C端口，新信息可由D端口上傳，由B端口輸出。微環(huán)

12、諧振器的結(jié)構(gòu)將 上傳下載四個端口分開。因此多個微環(huán)諧振器級聯(lián)可作上傳下載信號的模塊 oB 輸出-2、耦合區(qū)耦合區(qū)通道2通道1下 2、 4A輸入1、2、 3圖2環(huán)型波導諧振腔示意圖2.3單環(huán)微環(huán)諧振濾波器諧振特性光在微環(huán)中傳輸時，只有那些繞微環(huán)傳輸一周時所產(chǎn)生的光程差為波長的整數(shù)倍的 光才能產(chǎn)生諧振而加強，即滿足(1)m m = 2 ：neff R或者說只有那些繞微環(huán)傳輸一周時所產(chǎn)生的相位差為2二的整數(shù)倍的光才能產(chǎn)生諧振而加強，此時的微環(huán)諧振方程2 二R ：二 2 二m（ 2）式中，R為微環(huán)半徑，neff為微環(huán)波導中模的有效折射率，1為傳播常數(shù)，-m為諧 振波長，m為諧振級數(shù)。如圖3所示，含有不

13、同波長的復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振的輸出光強為最大，從而完成了濾波光能File Edrt Vitw Rju 訓 HelpContour of Ey-6-5-43-2012X圖3 FDTD分析單環(huán)結(jié)構(gòu)署Full WAVE - Scan In Progre: 1acmhda=1.59波導耦合的環(huán)型濾波器本質(zhì)上是F-P腔，2條直波導有相同的反射率* = d二r1/2。F-P腔的光學透射和反射可以表示為 2上=tmax上=rmin + F sin Q / 2)(3)I0 10 Fsin2(；/2)

14、， l0 一 1 F sin2(；/2)其中，tmax=(1-r2)A1-rA2),rmin =(1-A)2L(1-rA)2,F =4rA/(1-rA)2,A = exp(-： L),廠-(2二/) n(2L),L二二R,r =1-pc，n為環(huán)形濾波器的折射率，:-為環(huán)形濾波器的總損耗。在沒有損失的情況下A=1.0, tmax=1，rmin =0。圖4為環(huán)形濾波器的傳輸譜 ：C圖4微環(huán)諧振腔傳輸特性曲線三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析3.1 Rsoft 軟件介紹Rsoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FE等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。Fu

15、llwave是一高度整合之復雜光子組件仿真設(shè)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BeamPRO與FullWAVE軟體，兩者實際上是具有互補之作用。其主控程序為BeamPRO之CADLayout 系統(tǒng)，用來設(shè)計光波導組件及光路，亦即 BeamPRO與 FullWAVE共享同一個CAD Layou 程序。3.2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，波導的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。Waveguide Model

16、Dimension項選擇2D,Simulation Tool項由于此次設(shè)計的波導中有環(huán)形波導，所以此項選擇FullWAVE/FDTD項，包層折射率為1 （包層和芯層的折射率差為2.5），通信波長為變量lambda。參數(shù)設(shè)置如圖5所示和 Startup WindowGLOBAL SETTINGSWaveguide Model Dimension:金 2D 廠 3DHadial Calculation:Effective Index Calcuhtion：Polaization：TE TMSimjlation Tool:r BeamPROP/BPMIAyE/FDTpGratiinsMODBandS

17、OLVEC DifhactMODBPM Options:Vector Mode: None C Semi P FullBidirectional Calculation:廠FDTD 0ptioris：D isparsion/N cnlin aarity:3D Structure Type:Cover Index：Slab IndecSlab Height：Anisotropic：廠|background_inde+(|0EMit L刖恥Edit T ensors -Free S pace Wavelength: Eackground Indew: Index Difference: Waveg

18、uide Width: Waveguide Height: Profile Type:INITIAL VIEWING DIMENSIONSXMin;Fso-ZMin: |tTX Max:so-Z陽砒wooOKCancel圖5參數(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/lnsert/Time Monitor進入設(shè)置界面，如圖6所示。圖6 Time Mo nitor設(shè)置界面在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 Avera

19、ge項選擇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7中所示圖7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”EditPathways”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，使路徑與波導相一致（此時波導會變綠色），此次我們定義一條Pathway來作為后面Launch field 的輸入波導，如圖8所示。圖8設(shè)置路徑跟

20、波導一致最后單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Lau nch 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。選取波導的基模即可，如圖9所示。圖 9 Edit Launch Field設(shè)置界面設(shè)置完成點擊” 0K”。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。3.3單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真為了驗證波導參數(shù)的正確性，我們需要查看波導橫截面結(jié)構(gòu)。先設(shè)定自由波長長度為1.5um。點擊左側(cè)工具欄下方的” Display Index Profile ”按鈕，選擇 Display Mode 為

21、” Con tour Map (XZ) ”模式，如下圖10中所示，輸入要保存文件的前綴名，并點擊” OK，即可看到波導橫截面的折射率分布，最后波導折射率分布圖如圖11所示，折射率曲線圖如圖12所示。圖10仿真參數(shù)設(shè)置界面e abPROP CompuT aT on Casplelt &loE-FEOP CoB.put at ion. Co&plet ed圖12波導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和中間的環(huán)形波導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。最后便是波導的仿真

22、操作了，點擊工作截面左側(cè)的 Perform Parameter Sea n,在出 現(xiàn)的設(shè)置界面中設(shè)置好各項參數(shù)。 如圖13所示，設(shè)置好參數(shù)之后在Scan Output Prefix 中輸入保存的文件名，最后點擊 0K就能出現(xiàn)仿真的顯示界面。Scan VariableINNER ITERATIONVariable Name:lambdaOUTER ITERATIONSlatting Value:i?45Ending Value:1.55|o(0Increment:0.0050Scan Output Prefix:|indexscanSMeta Output Prefix:Pre-Proces?

23、Cmd:Po-$bProcesj Crd:Run Option.DefaufcPlot Dyrdmica:Mode Set:Minimize SimiiationcScript MedeRun Script：DefautCaricel圖 13 Perform Parameter Scan設(shè)置界面如圖14所示，從仿真的界面可以清楚的看到發(fā)生諧振的光會從另一波導輸出，并且能量在環(huán)里面大量地累積，累積的能量大小有環(huán)的品質(zhì)因素決定。而不滿足諧振條件的 光則不會從另一波導輸出，而呈直通態(tài)，即仍然從原來的波導輸出。固| FullWAViE 宜Rii Tn Progrrs: iambda=.3file dw

24、t Mtw Run HelpContouir Map of Ey10蘭連匸OEE圖14單環(huán)微環(huán)諧振濾波器仿真最后通過以諧振波長為中心，從1.45um到1.55um 共掃描20次不同波長的傳輸特 性，得到單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的傳輸譜如圖 15。操作過程中選取的掃描次數(shù)越多，圖形 越精確。圖15單環(huán)微環(huán)諧振器傳輸譜Indlno -I2CO3四、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)，是對實際工作能力的具體訓練和考察過程回顧起此次課程設(shè)計，至 今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，可以說得是苦多于甜，但是可 以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在 書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要 的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中 得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自 己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固通過這次課 程設(shè)計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。通過本次課程設(shè)計，單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性， 并且初