非對稱雙環(huán)_光電子課程設計

1、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

2、。時間安排：12014年12月15日布置課程設計任務，完成選題； 22014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 日目錄摘要31 緒論42 雙環(huán)微環(huán)諧振器53 軟件簡介64 濾波特性仿真74.1 新建一個電路圖74.2 定義參數和變量84.3 濾波器設置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20參考文獻21摘要 隨著光纖通信技術的發(fā)展，基于平面波導的光微環(huán)諧振器受到人們的關注和研究，相關技術迅速發(fā)展。微環(huán)諧振器(簡稱微環(huán))滿足了微型化、集成化、規(guī)模化和能夠實現多種功能等要求，其微納米量級的尺寸非常適于大規(guī)模單片緊密集成。Fullwave是一款實用性非常強的光學應用軟件，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。本課設采用有限差分時域法(FDTD)和時域耦合模理論，系統(tǒng)地分析了雙環(huán)微環(huán)結構諧振濾波器的濾波特性。關鍵詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特性

4、仿真I武漢理工大學光電子應用課程設計說明書1 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(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，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)模化，與此同時未來全光網絡迫切需要能夠實現多種功能的新型光波導器件，

5、例如能同時實現光學濾波器、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)串聯耦合或并聯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

6、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；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21，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)的傳輸系數和耦合系數，t2，k2為兩個環(huán)之間的傳輸系數和耦合系數，t3，k3第二個環(huán)和出射直波導的傳輸系數和耦

7、合系數。先看靠近Drop端的環(huán)。 b3與a3間的傳輸系數定義為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，如：數值參數、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

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CADLayout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CADLayout程序。4 濾波特性仿真4.1 新建一個電路圖打開軟件Rsoft CAD Layout，新建一個電路圖，設置全局參數如下圖4

9、.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 定義參數和變量點擊“Edit Symbols”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Accept Symbol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

10、鍵點擊每個部分就可以修改參數。點擊Options-Insert-lens設置圓環(huán)的參數，先設置內圓，后設置外圓，否者會出現變量未定義等錯誤。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，也可以點擊Options-Insert-Segment設置圓柱的參數。左邊圓柱的參數設置如圖4.3所示： 圖4.3 圓柱參數右邊圓柱參數如圖4.4所示： 圖4.4 圓柱參數設置完圓柱和圓環(huán)波導后，再點擊Options-Insert-TimeMonitor設

11、置兩個節(jié)點的監(jiān)視點。4.4 完整CAD圖在以上參數全部設置好后，圖紙上會出現完整的光波導圖，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Display Index Profile 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X=0時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4.9 Z=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perform simulation 彈出窗口如圖4.10所示： 圖4.10 仿真設置注意設置output prefix（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view graphs查看仿真結

13、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view graphs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

14、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RsoftCAD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，使其適應本次的設計，觀察仿真的數據是否符合設計要求。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, 2005.22楊建義.串聯雙環(huán)光微諧振