對稱雙環(huán)微環(huán)諧振器濾波特性分析課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　學生姓名： 周 鑫 專業(yè)班級： 電子科學與技術(shù)0901 </p><p>　　指導教師： 葛華 工作單位： 信息工程學院 </p><p>　　題 目:對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析 </p>

2、<p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　計算機、Fullwave軟件</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): </p><p>　　1.課程設(shè)計工作量：2周</p><p><b>　　2.技術(shù)要求：</b></p><p>　　①學習Ful

3、lwave軟件</p><p>　　②設(shè)計對稱雙環(huán)微環(huán)諧振器模型</p><p>　?、蹖ΨQ雙環(huán)微環(huán)諧振器模型進行仿真工作。</p><p>　?、懿殚喼辽?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。</p><p><b>　　時間安排</b></p

4、><p>　　2012.6.25做課設(shè)具體實施安排和課設(shè)報告格式要求說明。</p><p>　　2012.6.25-6.28學習Fullwave軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習所設(shè)計內(nèi)容的基本理論知識。</p><p>　　2012.6.29-7.5對對稱雙微環(huán)諧振器進行設(shè)計仿真工作，完成課設(shè)報告的撰寫。</p><p>　　2012.7.6 提交課程設(shè)

5、計報告，進行答辯。</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄

6、0</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　2 理論模型與公式推導4</p><p>　　2.1 振幅耦合比率的推倒4</p><p>　　2.1.1 微環(huán)與微環(huán)間的側(cè)向耦合

7、4</p><p>　　2.1.2 微環(huán)與信道間的側(cè)向耦合5</p><p>　　2.2 并聯(lián)對稱雙環(huán)諧振器輸出光譜的推導6</p><p>　　2.3 串聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器輸出光譜的推導7</p><p>　　3 雙環(huán)諧振器濾波特性分析9</p><p>　　3.1 并聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析9&l

8、t;/p><p>　　3.2 串聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析9</p><p><b>　　3.3 結(jié)論10</b></p><p>　　4 RSoft仿真對稱微環(huán)諧振器11</p><p>　　4.1 軟件CAD介紹11</p><p>　　4.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置11</p&g

9、t;<p>　　4.3 對稱微環(huán)諧振器仿真模擬13</p><p><b>　　5 心得體會15</b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　設(shè)計一種新型環(huán)諧振器，其基本結(jié)構(gòu)由圓角正

10、方形波導與條形波導組成，根據(jù)波導光學的耦合模型理論，推導出雙環(huán)串聯(lián)和雙環(huán)并聯(lián)的圓角正方形微環(huán)諧振器的光強傳遞函數(shù)，并通過數(shù)值模擬分別獲得這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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：波導光學

11、；微環(huán)諧振器；傳輸光譜；波導耦合</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　the design of a new type ring resonator, its basic structure is composed of rounded square waveguide and waveguide components, acco

12、rding to the theory 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

13、 the two model of the resonator output characteristics. The results show that, compared with the traditional annular resonator, rounded square struct</p><p>　　Key words: optical waveguide; resonator; transmi

14、ssion spectrum; waveguide coupling</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代光通信技術(shù)的發(fā)展，高集成度的光學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，對各種功能的集成光學器件的研究受到越來越多的</p><p>　　重視。自從 1969年 Marcatili[1]提出諧振

15、微環(huán)的概念以來，光學微環(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，如光信號處理、濾波、波分復(fù)用、路由、調(diào)制和開關(guān)等。在實際應(yīng)用中，微環(huán)諧振器的理想輸出光譜應(yīng)為“箱形 ”波譜，</p><p>　　然而，從目前報道的單環(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，許多學者通過串聯(lián)或并聯(lián)多個微環(huán)的方法，來解決單環(huán)存在的缺點 ，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

16、輸出波形。</p><p>　　文中嘗試改變微環(huán)本身的結(jié)構(gòu)來達到優(yōu)化設(shè)計的目的，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，并與對應(yīng)條件下的圓環(huán)形諧振器的情形進行比較。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。 </p><p>　　2 理論模型與公式推導<

17、/p><p>　　2.1 振幅耦合比率的推倒</p><p>　　2.1.1 微環(huán)與微環(huán)間的側(cè)向耦合</p><p>　　雙環(huán)結(jié)構(gòu)的諧振器中存在著微環(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)

18、(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]：</p><p>　　式中：k和t分別為振幅耦合比率和振幅透射比率,表示為：</p><p>　　圖1 微環(huán)波導間的耦合示意圖</p><p>　　當兩個彎曲波導耦合時，耦合系數(shù)可表示為：</p><p>　　式中：和分別表示兩個微環(huán)中光功率傳輸方向的單

19、位矢量在z方向上的投影； K‖(z)為兩個直波導平行耦合時的耦合系數(shù)。</p><p>　　利用幾何方法，耦合系數(shù)可以看成是θ1的函數(shù)，即K(Z)=K(θ1 )，取L=R1，可得：</p><p>　　上式中的k‖(θ1 )可表示為：</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　且，是TE 模的傳播常

20、數(shù)，，，分別為覆蓋層和底層中的消逝系數(shù)；為波導芯層中的波數(shù)，分別滿足以下特征方程：</p><p>　　2.1.2 微環(huán)與信道間的側(cè)向耦合</p><p>　　微環(huán)與信道的側(cè)向耦合如圖2 所示。</p><p>　　圖2 微環(huán)與信道波導的耦合示意圖</p><p>　　實際上，這是微環(huán)與微環(huán)側(cè)向耦合的特例。即令θ2=0，于是，得到：</

21、p><p>　　相應(yīng)的平行耦合系數(shù)為：</p><p>　　2.2 并聯(lián)對稱雙環(huán)諧振器輸出光譜的推導</p><p>　　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。</p><p>　　圖3 并聯(lián)雙環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　它由兩個并聯(lián)的微環(huán)和兩條平行的信道組成。令微環(huán)中圓角波導的曲率半徑為R， 直波導長度為

22、S， 信道長為2L1+L2，其中L1為信道端口到與其臨近合點的距離，L2為同一信道上兩耦合點間的距離。微環(huán)與信道的模式傳播常數(shù)皆為β，微環(huán)波導與信道波導模的復(fù)傳播常數(shù)分別為β-jαR和β-jαL，其中αR為彎道波導的傳播損耗系數(shù)，αL為直道波導的傳播損耗系數(shù)。圖中，amn和bmn分別表示各波導在分界面的振幅。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。</p>

23、<p>　　由上信道輸入端口至輸出端口的光強傳遞函數(shù)B2 和由上信道輸入端口至下信道輸出端口的光強傳遞函數(shù)D2，分別為：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　則下信道傳輸光譜定義為：</p><p>　　2.3 串聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器輸出光譜的推導</p><p>　　串聯(lián)雙環(huán)的結(jié)構(gòu)

24、如圖4 所示。微環(huán)圓角波導的半徑分別為R1和R2，信道長為2L1，其中L1為輸入端口到耦合點間的距離。圖中，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κ1，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。</p>

25、;<p>　　圖4 串聯(lián)雙環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)</p><p>　　可以得到從左信道輸入端口至輸出端口的光強傳遞函|B²| 及左信道輸入端口至右信道輸出端口的光強傳遞函數(shù)|D²| 分別為：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　右信道的傳輸光譜定義為：</p><p>

26、　　3 雙環(huán)諧振器濾波特性分析</p><p>　　3.1 并聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析</p><p>　　設(shè)定振幅耦合比率κ=0.3時，圓角正方形并聯(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, 而圓角正方形波導并聯(lián)雙環(huán)的輸出光譜的3 dB 帶寬為1.33 nm,-1 dB/-10

27、dB 帶寬比值為0.867， 其諧振峰更加平坦，相對圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，有助于消除二階色散效應(yīng)，減小濾波失真。</p><p>　　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FSR≈22nm,而圓環(huán)結(jié)構(gòu)FSR≈14.8 nm。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，有時需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)對單一頻率濾波， 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)果可見，圓角正方形的微環(huán)諧振器可在不減

28、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。</p><p>　　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s=πR 時，F(xiàn)SR 約為22nm；s=4πR 時，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s=πR 時， 非諧振峰達到-10 dB, 而s=4πR 時，非諧振峰約降為-19 dB,同時，光譜通帶寬度相對減

29、小。因為直道比環(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現(xiàn)設(shè)計要求。</p><p>　　3.2 串聯(lián)對稱雙環(huán)諧振濾波器的特性分析</p><p>　　設(shè)定環(huán)間振幅耦合比率κ1=0.2，環(huán)形與信道波導耦合比率κ2=0.02 時， 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

30、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FSR≈22 nm,而圓環(huán)結(jié)構(gòu)的FSR≈14.8 nm?？梢?，圓角正方形雙環(huán)串聯(lián)結(jié)構(gòu)相對與圓環(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。</p><p>　　從圓角正方形結(jié)構(gòu)下信道的輸出

31、光譜有，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s=πR 時，F(xiàn)SR 約為23 nm,而當s=4πR 時，F(xiàn)SR 則減小到9 nm 左右。此外，也可以看到，隨著微環(huán)中直道波導長度的增大，諧振峰的滾降特性得到了明顯的改善。</p><p><b>　　3.3 結(jié)論</b></p><p>　　文中針對圓角正方形微環(huán)諧振濾波器結(jié)構(gòu)，根據(jù)耦合模理論，模擬分析圓角

32、正方形波導組成的并聯(lián)對稱雙環(huán)和串聯(lián)對稱雙環(huán)模型的輸出譜特性，并與圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的輸出特性進行對比。通過比較發(fā)現(xiàn)，不管是雙環(huán)并聯(lián)對稱還是雙環(huán)串聯(lián)對稱情況，在同樣的設(shè)計參數(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長度參數(shù)，給器件設(shè)計帶來了更多的冗余度，為器件的制備提供了工藝便利。</p><p>　　4 RSoft仿真對稱微環(huán)諧振器

33、</p><p>　　4.1 軟件CAD介紹</p><p>　　RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。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算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。</p><p>　　下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\P

34、rogram Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現(xiàn)如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結(jié)構(gòu)和下一步計算的前提。</p><p><b>　　圖5 CAD界面</b></p><p>　　4.2 模擬環(huán)境的基本設(shè)置</p><p>　　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

35、話框，波導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。畫出對稱微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖6 對稱微環(huán)諧振器</p><p>　　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

36、們畫好的波導，使路徑與波導相一致（此時波導會變綠色），如圖13。</p><p>　　圖7 設(shè)置路徑與波導一致</p><p>　　點擊”Monitors”按鈕，在彈出的小對話框中設(shè)置與路徑相匹配的探測器。完成后，點擊對話框的”O(jiān)K”按鈕回到路徑設(shè)置模式，再點擊左側(cè)的”O(jiān)K”按鈕回到畫圖模式。</p><p>　　單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Launch Fiel

37、d”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。</p><p>　　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。</p><p>　　4.3 對稱微環(huán)諧振器仿真模擬</p><p>　　為了驗證波導參數(shù)的正確性，我們需要

38、查看波導橫截面結(jié)構(gòu)。點擊左側(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，并點擊”O(jiān)K”，即可看到波導橫截面的折射率分布。最后進行波導光傳播的模擬。點擊左側(cè)工具欄下方的”Perform Simulation”按鈕，并按圖進行參數(shù)設(shè)置，輸入要保存文件的前綴名，最后點擊”O(jiān)K”。</p><p>　　圖8

39、 波導橫截面的折射率分布</p><p><b>　　仿真如圖9所示。</b></p><p><b>　　圖9仿真圖</b></p><p><b>　　最后仿真圖如圖10</b></p><p><b>　　圖10 最后仿真圖</b></p>

40、;<p><b>　　5 心得體會</b></p><p>　　經(jīng)過為期一個星期的課程設(shè)計，完成了選題、理論基礎(chǔ)、軟件仿真、以及撰寫實驗報告，幾天的辛苦終于收的了最后的成果。</p><p>　　此次選擇的題目是“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(guān)參數(shù)，

41、使其適應(yīng)本次的設(shè)計，觀察仿真的數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計要求。</p><p>　　通過此次設(shè)計，了解了雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性，俗話說：紙上得來終覺淺。要想學到真正的本事，非得自己動手去親自實踐，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳維友等著. 光電子器件電路模型與OEIC模擬.北京：

42、國防工業(yè)出版社，2001.1</p><p>　　[2] 劉光. 電子CAD實用教程基于ORCAD. 機械工業(yè)出版社，2002.12</p><p>　　[3]《激光器件與技術(shù)》 劉敬海,徐榮甫 北京理工大學出版社 1995 </p><p>　　[4]李永平，董欣.Pspice電路設(shè)計與實現(xiàn).北京：國防工業(yè)出版社，2005.1</p><p&g