单环微环谐振滤波器的滤波特性分析光电子-课程设计-毕设论文.doc

武汉理工大学光电子技术课程设计说明书课程设计任务书题 目: 单环微环谐振滤波器的滤波特性分析 初始条件：计算机、Rsoft软件要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习Rsoft软件。（2）设计单环微环谐振滤波器（3）对单环微环谐振滤波的滤波特性进行分析并使用Rsoft软件进行仿真。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2013.12.9做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2013.12.10-2013.12.14学习Rsoft软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2013.12.15-2013.12.19对单环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2013.12.20 提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日19武汉理工大学光电子技术课程设计目 录摘 要1ABSTRACT2一、绪论3二、微环谐振滤波器42.1 微环谐振腔简介 42.2 微环谐振滤波器的基本结构 42.3 微环谐振滤波器的工作原理 52.4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数 62.5 单环谐振滤波器传输特性的分析 72.6 单环谐振滤波器传递函数的推导 7三、单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析93.1 Rsoft软件介绍 93.2 模拟环境的基本设置 93.3 单环微环谐振滤波器的仿真133.4 单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真17四、心得体会 19参考文献 20摘 要网络时代的迅速发展推动通信技术的飞速进步，密集波分复用（DWDM）技术解决了管线通信主干网络的大容量问题。现代的光通信向着更高容量、更高速发展。集成光学将光通信器件模块化、小型化且大规模集成光路是未来光通信的发展方向之一。近些年来光学微环以大规模集成光路的重要结构成为了人们的关注焦点。它功能多，结构紧凑，有着很大的发展潜力。研究微环谐振腔最典型的方法是在麦克斯韦电磁方程组基础上发展起来的耦合模理论，这种方法无论是在空间还是在时间上都可以用实验的方法来实现。但是在研究多环系统时显得比较繁琐，不利于实际应用。本文中运用了一种简便、直观的图示法信号流程图法（SFG），对单环微环谐振腔的滤波特性进行分析。关键词：波导光学；信号流程图；微环谐振腔；光滤波器AbstractWith the rapid development of communication technologies, Dense Wave Division Multiplexing(DWDM) is being utilized to construct a high-capacity optical fiber communication. Modern optical communications become higher capacity, and develop more rapidly.The devices in integrated optics will be modularized. The very large scale of integration on photonic circuits (VLSI-PCs) is one of development directions of the optical communications in the future. In recent years, people focus on the implement of VLSI-PCs.The mieroring resonators as a basic module with a lot of merits in VLSI-PCs,have great potential for development.The typical researching approach to micro-ring resonator is the coupled mode theory which is based on Maxwell equations.The method either in space or in time can be expressed by experiment.However,studying multi-ring system with the approach more complicated,so it is not fit for practical application In this paper,a simple,intuitive graphic method called signal flow graph method to analyze the output characteristics of micro-ring resonator.Key word：Waveguide optics;signal；flow graph；micro-ring resonator一、绪论上个世纪末全球的信息产业飞速发展，随着下一代网络的开发，网络将发展到第三个世界，及服务层面上的IP世界、传递层面上的光的世界和接入面上的无线世界，在这种形势下，人们对信息量的要求日益增加，对信息传输系统带来了压力和动力。高速、高效、大容量的宽带通信网络是现代通信网络发展的趋势。光是面前人们发现最理想的信息载体，不仅速度快，而且具有很高的带宽，正满足了如今的发展趋势。但是由于目前光信号处理的困难和复杂性，一般的通信仍然只是在大容量的干线上采用光网络，借助光纤通信【1】实现大容量、超远距离的信号传输，而要对信号进行处理时，都必须完成光信号到电信号，处理完毕后再将电信号转为光信号，这里的光电光转换过程极大地限制了信号的传输速度，而且很大程度上依赖与电信号的处理速度，无法完全发挥光层面上的优势。因此在如今信息爆炸的网络时代，全光网络呼之欲出，它不仅消除了光电光转换所需要的时间，而且能打破电传输时的瓶颈，使得光网络在通信网络的发展上有着更大的潜力，是当今通信系统的研究方向之一。集成光学对全光网络的发展起到了很重要的作用、集成光学的概念最早是由美国Bell试验室的Milier在1969年提出，其主要目的是在一个平面衬底上将各种功能的光器件集成起来，从而实现光学系统的微型化、集成化和规模化。而本论文所研究单环上下载型微环谐振滤波器的特性，可以极大地方便光通信的器件的使用，必将推动全光网络的应用。本章研究微环谐振器的基本结构，简要介绍了他的概念和应用，其中重点介绍了作为光学滤波器的应用。二、微环谐振滤波器2.1 微环谐振腔简介微环谐振腔基本结构为如图2-1所示的单环结构，其他复杂结构由多个单环结构并联或串联构成。仅由一条直波导和微环组成的微环谐振腔为全通型微环谐振腔（如图2-1（a）。其特点是结构比较简单，便于分析，它主要用于延迟线、缓存器、调制器等。全通型微环谐振腔加载一个上/下载波导便成为了上/下载型微环谐振腔，其功能更加强大，运用更加广泛。当前对微环谐振腔的研究普遍为上/下载型。(a) 全通型微环谐振腔； (b) 上下载型微环谐振腔图2-1 微环谐振腔基本结构示意图2.2 微环谐振滤波器的基本结构单环谐振器是微环谐振滤波器中最基本的结构,方向耦合器是构成微环滤波器的基本单元,单环谐振滤波器结构如图2-2所示,它由两个参数相同的方向耦合器和一个微环波导构成。有不同波长的复信号光从主信道输入端口输入并耦合进入微环后，其中只有一个波长的光能满足谐振条件而引起谐振，耦合进入下信道或竖直信道后，以这一谐振波长的输出光强为最大从而完成了滤波功能。用作光滤波器的单环微环谐振器的基本构成包括，一个光微环以及分别与微环相耦合的用于光波输入与输出的光引导波导。图2-2所示是采用单环微环谐振器的光滤波器常用结构，其中采用了定向耦合器结构实现两根引导波导与微环间的耦合。在图2-2中，要求光波导为单模波导。定义和分别为衡量两引导波导与微环间光波耦合量的出入环光耦合系数，单位功率光波由定向耦合器的一支波导输入时，从另一支波导耦合输出的分量（在此，不计入光波传输损耗）分别为和 。图 2-2 单微环滤波器结构2.3 微环谐振滤波器的工作原理根据上图2-2中所示，由光波导耦合模理论可得: （1） （2）式中,、 为方向耦合器的输入光复振幅,、为方向耦合器的输出光复振幅, k 为方向耦合器的功率耦合比。设微环波导的周长是l ,则有 （3）式中,为光波经过l/ 2 弯曲波导的相位延迟,为微环波导的弯曲损耗系数。经第二个方向耦合器的耦合,得到 （4） （5） （6）和分别是微环共振滤波器的下行端(drop) 和上行端(throughput) 的滤波输出振幅。联立以上六个公式求得微环谐振滤波器的归一化功率输出: (7)= （8） 分别表示波导的弯曲损耗和归一化相位变化。微环共振滤波器的滤波效果主要由功率耦合比k 和微环波导的弯曲损耗决定。2.4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数为便于我们下一步的研究分析，在这里我们介绍一下表述微环谐振滤波器传输光谱性能的五个基本的参数：（1）-3dB带宽或者半高全宽（FWHM）：即谱线功率相对于峰值下降3dB的时候，谱线对应的两波长之差或者透射率下降为最大值的一半时所对应的两波长之差。对于无损耗的微环谐振腔，-3dB带宽主要由耦合系数和光程差来决定。（2）自由光谱范围（FSR）：指光谱中两个相邻的谐振峰之间的波长差。用来表征输出光谱周期性的参数。（3）插入损耗（Insertion Loss）：指滤波器的输出光功率相对于输入光功率的损失量，插入损耗要越小越好。其表达式为： （9）（4）消光比（Extinction ratio）：指光学滤波器在所有偏振状态下的最大输出功率和最小输出功率之比，可以用公式表示为： （10）（5）形状因子：用来描述滤波器输出端和下载端的输出谱线的，其被定义为 （11）2.5单环型谐振滤波器传输特性的分析按照上一节的阐述，我们可以把单环上/下载型谐振滤波器结构看成如图2-2所示，由两个22的耦合器和环形反馈腔构成。其信号流程图则可以表示成为图2-5所示。图2-5 单环上下载谐振滤波器的信号流程图其中，为输入端结点，和分别表示输出端结点和下载端结点。第i个耦合器的耦合系数用表示，而每个耦合器的插入损耗都可以用来表示，那么传输路径的增益可以表示为：。同理，耦合路径的增益则可以由来表示。光沿着环形反馈腔（闭合路径）传递的增益与全通型单环谐振腔相同。同样，其自由谱宽也可以由（11）式来表示。2.6单环微环谐振滤波器传递函数的推导平行信道单环上/下载型谐振滤波器的输出端和下载端相对于输入端的传递函数可以由梅森公式推导得出。（A）从输入端到输出端的传递函数：根据图2-5可知，其中包含一个独立的闭环，可以表示为： (12)对于输出端来说，从结点1到结点2的向前路径，以及和它互不接触的闭环的图行列式可以表示为： (13) (14)按照（10）式，依梅森公式我们可得信号流程图的图行列式： （15）将（13）（15）式代入（11），则图2-5所示的输出端的传递函数可以表示为 （16）（B）从输入端到下载端的传递函数：对于下载端来说，仅有一个向前路径，而且与（13）式所给出的仅有的一个闭环相接触。因此，我们可以得出： （17）三、单环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析3.1 Rsoft软件介绍RSoft是一款非常实用的光波导仿真软件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。本课程主要使用RSoft算法集中的BPM算法对光波导和简单光波导器件进行仿真计算，从而对光在波导中的传输有一定得了解。下载网站上的压缩包，解压缩后运行Beamprop5.1.8安装文件文件夹中的Setup.exe即可进行安装，安装完后打开Rsoft CAD-layout即出现如下图所示的CAD界面。此界面是定义波导结构和下一步计算的前提。图3-1 CAD界面3.2 模拟环境的基本设置在软件中，点击左上角的”New Circuit”按钮，点击后弹出基本设置对话框，波导的一些基本特性参数需要在此设定。Waveguide Model Dimension项选择2D，Simulation Tool项由于此次设计的波导中有环形波导，所以此项选择FullWAVE/FDTD项，包层折射率为1（包层和芯层的折射率差为2.5），通信波长为1.5um。参数设置如图3-2所示. 图3-2 参数设置界面在设置好全局参数之后接下来就需要对Time Monitor的参数进行设置了，点击菜单栏的Options/Insert/Time Monitor进入设置界面，如图3-3所示图3-3 Time Monitor设置界面在Time Monitor的设置界面中首先是位置设置，都选用offset方式，接下来是时域观察选项，选择Power即选择观察光功率。Time Average项选择Yes，下面的SpatialOutput项也选择Power，在右侧的Frequency Analysis项选择DFT，最后点击OK。设置好参数之后即可开始进行单环微环谐振滤波器的绘制，最后绘制好的滤波器图形如下图3-4中所示。 图3-4 单环微环谐振滤波器光路图设置光源的特性和观察的路径。首先设置路径，单击左侧工具栏中的”Edit Pathways”按钮。单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。点击”New”按钮，会新建一个路径，再左键点击我们画好的波导，使路径与波导相一致（此时波导会变绿色），此次我们定义一条Pathway来作为后面Launch field的输入波导，如图3-5所示。图3-5 设置路径跟波导一致最后单击左侧工具栏中的”Edit Launch Field”按钮进行光源的设置，单击后会弹出输入光源的设置对话框。选取波导的基模即可，如图3-6所示。图3-6 Edit Launch Field设置界面设置完成点击”OK”。至此，模拟环境已基本设置完毕。再模拟前，要需先将文件保存下来。点击左上角”Save”按钮即可，注意在文件保存的路径中不允许出现空格和中文3.3单环微环谐振滤波器的仿真为了验证波导参数的正确性，我们需要查看波导横截面结构。点击左侧工具栏下方的”Display Index Profile”按钮，选择Display Mode为”Contour Map (XZ)”模式，如下图3-7中所示，输入要保存文件的前缀名，并点击”OK”，即可看到波导横截面的折射率分布，最后波导折射率分布图如图3-8所示，折射率曲线图如图3-9所示。图3-7 仿真参数设置界面图3-8波导横截面的折射率分布图3-9 波导横截面的折射率曲线 从折射率曲线我们可以看到有四条竖线折射率达到了3.5，其他位置的折射率都为1，这是因为这四条竖线分别属于两条直波导和中间的环形波导所在的截面的折射率是3.5，而背景折射率是1，所以才会显示这种图形。最后便是波导的仿真操作了，点击工作截面左侧的Perform Simulation，在出现的设置界面中设置好各项参数，如图3-10所示，设置好参数之后在Output Prefix中输入保存的文件名，最后点击OK就能出现仿真的显示界面，单环微环滤波器的仿真图如图3-11所示，频谱分析图如图3-12中所示。图3-10 Perform Simulation设置界面图3-11 单环微环谐振滤波器仿真图3-12 频谱分析从3-11的滤波器仿真图中可以看出，两种模式的输入光波最后在输出的光波中有一种光功率一直是0而另一种一直在接近1的附近，这表明经过微环滤波器之后其中一种模式的光波被滤掉了，而另一种光波得以通过。仿真结果表明，该滤波器微环与波导发生了耦合并产生谐振，从输入波导中选取了预测频率，输出波导频率与预测数值相同，该单环微环谐振滤波器确有滤波作用。3.4 单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真在上一步的仿真中只是取一种波导参数的结果，如果需要改变波导参数，则需要重新作仿真，所以接下来需要进行的是参数扫描仿真，点击软件工作界面的Perform Parameter Scan进入参数扫描仿真的界面，如图3-13所示。图3-13 参数扫描仿真设置界面在设置界面依次设置好需要扫面的变量名称、起始值、终止值，扫描间隔以及保存的文件名称之后点击下方的OK便能让计算机自动进行扫描。如上图3-13中，扫描的变量名为delta（折射率之差），扫描起始值为1.5，终止值为3.5，扫描间隔为0.1，保存文件的名称为indexscan1，最后扫描完成后的曲线图如图3-14中所示。图3-14 delta变量的参数扫描结果从上图3-14中可以看出，本次扫描从1.5到3.5一共进行了20次，从扫描的结果可以看到，在本次扫描的精度内，delta（折射率之差）在1.7左右时，单环微环谐振滤波器的滤波效果最好。5.心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。通过本次课程设计，单环微环谐振滤波器的滤波特性，并且初步学会用Rsoft进行仿真。课程设计也让我学会了要充分的查找资料，利用身边的资源以及学会冷静的面对课程设计中出现的问题，从而去有效地解决问题。课程设计也是同学们之间相互交流和学习的好机会，通过与同学的交流可以了解到别人的好的想法及思路，这将给我们的设计带来极大的帮助。课程设计是很有意义的，更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。参考文献1 张自嘉光纤光栅理论基础与传感技术北京：科学出版社，2009.8 2 赵勇. 光纤光栅及其传感技术. 北京：国防工业出版社，2007.13 饶云江、王义平、朱涛.光纤光栅原理及应用北京：科学出版社，2006.8.4 马春生,刘式墉.光波导模式理论M.长春：吉林大学出版社，2006.105 闫欣.微环谐振波分复用器的模拟与分析D.博士论文，吉林大学，2006.5本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别男专业、班级电子1001班题 目：单环微环谐振滤波器的滤波特性分析答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日21