非對稱雙環(huán)_光電子課程設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 胡康哲 專業(yè)班級： 電子1103 指導(dǎo)教師： 曠海蘭 工作單位： 信息工程學(xué)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(shù)的基本理論知識及較強(qiáng)的實踐能力；對光纖技術(shù)有一定的了解；計算機(jī)；beamprop軟件或Fullwave軟件。 要求完成的主要任務(wù)： 1.學(xué)習(xí)beamprop或Fullwave軟件；2. 對非對稱雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行理論學(xué)習(xí)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(jìn)行仿真；4.查閱篇參考文獻(xiàn)，按武漢理工大學(xué)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

2、。時間安排：12014年12月15日布置課程設(shè)計任務(wù)，完成選題； 22014年12月16日至2014年12月19日學(xué)習(xí)beamprop或Fullwave軟件，完成資料查閱，復(fù)習(xí)與選題內(nèi)容相關(guān)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(jìn)行仿真工作，完成課程設(shè)計報告撰寫；4. 2014年12月26日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。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(shù)和變量84.3 濾波器設(shè)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(xiàn)21摘要 隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于平面波導(dǎo)的光微環(huán)諧振器受到人們的關(guān)注和研究，相關(guān)技術(shù)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)?；湍軌?qū)崿F(xiàn)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(qiáng)的光學(xué)應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)諧振濾波器的濾波特性。關(guān)鍵詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特性

4、仿真I武漢理工大學(xué)光電子應(yīng)用課程設(shè)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(xué)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(xué)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(lǐng)域進(jìn)入了一個嶄新的時代光纖通信技術(shù)時代。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷地提高工作性能和降低運營成本，其核心技術(shù)在于光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)模化，與此同時未來全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的新型光波導(dǎo)器件，

5、例如能同時實現(xiàn)光學(xué)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(xiàn)功能強(qiáng)大的光子學(xué)“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(xiàn)包括濾波器、延遲線、緩存器、激光器、路由器、波長復(fù)用/解復(fù)用器、光開關(guān)、調(diào)制器、波長轉(zhuǎn)換器、碼型轉(zhuǎn)換、邏輯門和傳感器等功能單元，功能非常強(qiáng)大，因此微環(huán)己成為光纖通信和集成光學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)上固有的局限性，人們提出了采用多環(huán)串聯(lián)耦合或并聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的高級次光諧振器來改善通帶結(jié)構(gòu),相對其它高級次結(jié)構(gòu)，二級微環(huán)具有最為簡單的調(diào)

6、諧要求。本次課設(shè)將對雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的二級光諧振器（簡稱雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特性進(jìn)行分析。首先給出雙環(huán)光微諧振器的傳遞函數(shù)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(dǎo)波導(dǎo)間的光功率耦合大小對濾波特性的影響，清晰通帶結(jié)構(gòu)及可控性，比較相對單環(huán)諧振濾波器的不同與改進(jìn)。本次課設(shè)主要研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡要介紹了它的概念和應(yīng)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(jié)構(gòu) 圖2.1 雙環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)tl，k1為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為兩個環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦

7、合系數(shù)。先看靠近Drop端的環(huán)。 b3與a3間的傳輸系數(shù)定義為T2，再看上面的環(huán)，可得Though端的輸出。 下面推導(dǎo)雙環(huán)Drop端的輸出，先看靠近入射波導(dǎo)的環(huán)。 再看靠近輸出波導(dǎo)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(jī)輔助設(shè)計和模擬仿真的專業(yè)軟件，專用于設(shè)計集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法來模擬分析光學(xué)器件。用戶界面友好，分析和設(shè)計光學(xué)器件輕松方便。其主程序為一套完善的用于設(shè)計光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計系統(tǒng)，且可控制相關(guān)的模擬參數(shù)，如：數(shù)值參數(shù)、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(nèi)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(shù)值特性。Fullwave是一高度整合之復(fù)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BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實際上是具有互補(bǔ)之作用。其主控程序為BeamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來設(shè)計光波導(dǎo)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(shè)置全局參數(shù)如下圖4

9、.1: 圖4.1 全局設(shè)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(dǎo)環(huán)的折射率3.5，波導(dǎo)寬度設(shè)置為0.2。4.2 定義參數(shù)和變量點擊“Edit Symbols”按鈕進(jìn)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(shè)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(shè)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(nèi)圓半徑，width是環(huán)的寬度。4.3 濾波器設(shè)置然后進(jìn)行濾波器的繪制，每個部分分別都要進(jìn)行設(shè)置。通過右

10、鍵點擊每個部分就可以修改參數(shù)。點擊Options-Insert-lens設(shè)置圓環(huán)的參數(shù)，先設(shè)置內(nèi)圓，后設(shè)置外圓，否者會出現(xiàn)變量未定義等錯誤。設(shè)置完后右鍵內(nèi)圓選擇more設(shè)置內(nèi)圓顏色為黃色，便于和外圓區(qū)別。4個圓的參數(shù)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(shè)置完圓環(huán)后，可以選擇直線畫圖，再右鍵設(shè)置參數(shù)，也可以點擊Options-Insert-Segment設(shè)置圓柱的參數(shù)。左邊圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示： 圖4.3 圓柱參數(shù)右邊圓柱參數(shù)如圖4.4所示： 圖4.4 圓柱參數(shù)設(shè)置完圓柱和圓環(huán)波導(dǎo)后，再點擊Options-Insert-TimeMonitor設(shè)

11、置兩個節(jié)點的監(jiān)視點。4.4 完整CAD圖在以上參數(shù)全部設(shè)置好后，圖紙上會出現(xiàn)完整的光波導(dǎo)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(dǎo)的半徑不一樣，兩邊的兩個圓柱波導(dǎo)通過兩個非對稱雙環(huán)微環(huán)耦合，右邊的波導(dǎo)通過雙環(huán)和左邊的波導(dǎo)產(chǎn)生諧振，并實現(xiàn)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(shù)檢查無誤后，接下來可以查看折射率分布和進(jìn)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(biāo)，如圖4.6所示： 圖4.6 設(shè)置展示模式點擊OK確認(rèn)，出現(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(shè)置注意設(shè)置output prefix（輸出文件名），還可以設(shè)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(jié)

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(jié)果圖4.14 仿真結(jié)果圖中紅線是信號源，綠線是輸出的監(jiān)視節(jié)點值，藍(lán)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(xiàn)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(dǎo)的折射率。由于仿真次數(shù)較多，時間較長，這里只掃描了幾個折射率的值，結(jié)果如圖4.15： 圖4.15 折射率掃描結(jié)果由圖可知，當(dāng)delta取值2.1時輸

14、出最大，即波導(dǎo)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(guān)參數(shù)，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。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，學(xué)習(xí)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(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)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(chǔ)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(xué)習(xí)”，在小組同學(xué)的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產(chǎn)生了些許的興趣，自己開始主動學(xué)習(xí)并逐步從基礎(chǔ)慢慢開始弄懂它。我認(rèn)為這個收獲應(yīng)該說是相當(dāng)大的。覺得課程設(shè)計反映的是一個從理論到實際應(yīng)用的過程，但是更遠(yuǎn)一點可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學(xué)校轉(zhuǎn)到踏上社會的一個過程。參考文獻(xiàn)1王現(xiàn)銀.聚合物微環(huán)諧振波分復(fù)用器傳輸特性的理論分析.光學(xué)學(xué)報, 2005.22楊建義.串聯(lián)雙環(huán)光微諧振