武漢理工大學(xué)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述武漢理工大學(xué)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述28/28武漢理工大學(xué)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特征解析綜述武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：題目:

專(zhuān)業(yè)班級(jí)：工作單位：信息工程學(xué)院非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器特點(diǎn)解析初始條件：計(jì)算機(jī)、beamprop軟件(或Fullwave軟件)要求完成的主要任務(wù):（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等詳盡要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)。（2）對(duì)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和特點(diǎn)解析。（3）對(duì)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特點(diǎn)進(jìn)行Fullwave軟件仿真工作。3、查閱最少5篇參照文件。按《武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范》要求撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)吻合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：做課設(shè)詳盡推行安排和課設(shè)報(bào)告格式要求說(shuō)明。學(xué)習(xí)beamprop軟件(或Fullwave軟件)，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2012.6.29-7.5對(duì)非對(duì)稱(chēng)雙環(huán)微環(huán)諧振濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě)。2012.7.6提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行爭(zhēng)辯。武漢理工大學(xué)《光電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄大綱IAbstractII1緒論12微環(huán)諧振濾波器2微環(huán)諧振腔簡(jiǎn)介2微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)32.3雙環(huán)諧振腔的濾波特點(diǎn)63Beamprop和Fullwave介紹94濾波特點(diǎn)仿真104.1BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟10檢查指數(shù)資料14解析建立154.4仿真155心得領(lǐng)悟20參照文件21大綱隨著光纖通信技術(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(yùn)營(yíng)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)?；?，與此同時(shí)未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要可以實(shí)現(xiàn)多種功能的新式光波導(dǎo)器件。微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱(chēng)微環(huán))滿(mǎn)足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)的尺寸特別適于大規(guī)模單片親密集成。本文介紹的是經(jīng)過(guò)Fullwave軟件進(jìn)行諧振濾波器的光譜仿真，F(xiàn)ullwave是一款合用性特別強(qiáng)的光學(xué)應(yīng)用軟件，本文包括了Fullwave軟件的介紹、諧振濾波器的原理以及其濾波特點(diǎn)仿真。重點(diǎn)詞：諧振濾波器；Fullwave；濾波特點(diǎn)仿真AbstractWiththedevelopmentofopticalcommunicationtechnology,opticalcommunicationnetworkneedstoconstantlyimprovetheperformanceandreducetheoperationcost,itscoretechnologyisthattheopticalwaveguidedeviceminiaturization,integrationandscale,atthesametimethefutureall-opticalnetworkisanurgentneedtoachieveavarietyoffunctionsofthenewtypeopticalwaveguidedevice.ThisarticledescribesthespectrumoftheresonantfilterFullwavesoftwaresimulation,Fullwaveisaverystrongpracticalopticalapplications,containstheFullwavesoftware,thesimulationoftheprincipleoftheresonantfilterandfiltercharacteristics.Keywords:resonantfilters;Fullwave;filtercharacteristicsimulation緒論光通信，顧名思義，即用光作為信息的載體來(lái)傳達(dá)信號(hào)，在通信不發(fā)達(dá)的古代，人們就已經(jīng)懂得利用光來(lái)傳達(dá)信息。自從1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)了然第一臺(tái)紅寶石激光器[1]，2009年的諾貝爾物理學(xué)獲得者高琨(CharlesK.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(hào)，并指出通信光纖的要求是每公里衰減小于20分貝(dB)此后[2]，通信領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代——光纖通信技術(shù)時(shí)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(yùn)營(yíng)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)?；?，與此同時(shí)未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)迫切需要可以實(shí)現(xiàn)多種功能的新式光波導(dǎo)器件，比方能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、延緩線、緩存器和各種全光信號(hào)辦理的基本單元，經(jīng)過(guò)大規(guī)模集成該單元在一個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)功能富強(qiáng)的光子學(xué)“片上系統(tǒng)”。微環(huán)諧振器(簡(jiǎn)稱(chēng)微環(huán))滿(mǎn)足了上述兩個(gè)要求，其微納米量級(jí)的尺寸特別適于大規(guī)模單片親密集成，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)包括濾波器、延緩線、緩存器、激光器、路由器、波長(zhǎng)復(fù)用/解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、波長(zhǎng)變換器、碼型變換、邏輯門(mén)和傳感器等功能單元，功能特別富強(qiáng)，所以微環(huán)己成為光纖通信和集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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)上固有的限制性，人們提出了采用多環(huán)串通耦合或并聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的高級(jí)次光諧振器來(lái)改進(jìn)通帶結(jié)構(gòu),相對(duì)其他高級(jí)次結(jié)構(gòu)，二級(jí)微環(huán)擁有最為簡(jiǎn)單的調(diào)諧要求。本次課設(shè)將對(duì)雙環(huán)耦合結(jié)構(gòu)的二級(jí)光諧振器（簡(jiǎn)稱(chēng)雙環(huán)光微諧振器）的光濾波特點(diǎn)進(jìn)行解析。第一給出雙環(huán)光微諧振器的傳達(dá)函數(shù)；在此基礎(chǔ)進(jìn)步行其濾波特點(diǎn)解析，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(duì)濾波特點(diǎn)的影響，清楚通帶結(jié)構(gòu)及可控性，比較相對(duì)單環(huán)諧振濾波器的不同樣與改進(jìn)。本次課設(shè)主要研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要介紹了它的看法和應(yīng)用，其中重點(diǎn)介紹了它的濾波特點(diǎn)。微環(huán)諧振濾波器微環(huán)諧振腔簡(jiǎn)介微環(huán)諧振器擁有特別簡(jiǎn)單，緊湊的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2．1所示，它由兩根直波導(dǎo)和一個(gè)環(huán)形的波折波導(dǎo)組成。如圖2．1，光從端口A入射，達(dá)到直波導(dǎo)與環(huán)組成的第一個(gè)耦合區(qū)，部分光耦合到環(huán)形波導(dǎo)內(nèi)，傳輸?shù)较乱粋€(gè)直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)組成的耦合區(qū)，光由c端口輸出。當(dāng)入射波長(zhǎng)滿(mǎn)足在環(huán)內(nèi)的諧振條件(即波長(zhǎng)的整數(shù)倍等于環(huán)一周的光程時(shí)，光由C端口輸出；不滿(mǎn)足諧振條件的光從B端口輸出。所以微環(huán)諧振器對(duì)定波長(zhǎng)的光起濾波的作用，其最基本的用途是實(shí)現(xiàn)濾波。如圖2．1，由端口A入射必然波長(zhǎng)范圍的光，特定的波長(zhǎng)(滿(mǎn)足諧振條件)由C端口輸出，也就是說(shuō)光經(jīng)過(guò)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)諧振器的結(jié)構(gòu)將上傳下載四個(gè)端口分開(kāi)。所以多個(gè)微環(huán)諧振器級(jí)聯(lián)可作上傳下載信號(hào)的模塊。圖2．1微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)微環(huán)諧振濾波器的工作原理微環(huán)諧振器的基根源理近似法一泊腔的原理，如圖2．2。兩者最大的差異是微環(huán)諧振器中形成的行波，而法一泊腔中形成的是駐波。光入射到微環(huán)諧振器中，部分光沿直波導(dǎo)傳輸，部分光耦合到環(huán)中，近似于法．泊腔中，部分傳輸，部分反射。法．泊腔中反射系數(shù)相當(dāng)于環(huán)中傳輸系數(shù)t1，而傳輸系數(shù)相當(dāng)于環(huán)中的耦合系數(shù)K1。圖法．泊腔與微環(huán)諧振器的比較推導(dǎo)微環(huán)諧振器的傳輸特點(diǎn)中，最常用的方法就是傳輸矩陣的方法[27,281。由圖2．2(b)所示，ai，bi(i=l，2，3,4)表示直波導(dǎo)和環(huán)中的場(chǎng)強(qiáng)，由模式耦合理論可得，b1t1k1a1(2．1)b2x1.t1a2式中，t1為振幅的傳輸系數(shù)，k1為振幅的耦合系數(shù)，在耦合無(wú)耗費(fèi)的情況下22k1，由式(2．1)得，b1t1a1k1a2，又因a2Ab2ej，其t1k11，k1中護(hù)為光傳輸一周的相位，2（2.2）neffLL為環(huán)的周長(zhǎng)，L=2rcR，A為周耗費(fèi)因子，它表示光在環(huán)中傳輸一周節(jié)余的振2一aL/2幅的百分比，令a=A，則a表示光在環(huán)中傳輸一周節(jié)余的能量的百分比，A=e。b1t1t2Aeja1(2.3)1t1t2AejIBb12t12t222t1t2Acos（）IAa121t12t222t1t2Acos當(dāng)環(huán)的兩個(gè)耦合區(qū)對(duì)稱(chēng)耦合時(shí)，2222令k1=k2=K,t1=t2=T時(shí)，K+T=1．K表示直波導(dǎo)耦合到環(huán)中的能量，即能量的耦合系數(shù)，T表示能量的傳輸系數(shù)。式2．3變?yōu)镮B1(1TA)K(2.5)IA(1TA)24TAsin2(2)C端口的輸出為，b4k1k2Aej/2(2.6)1t1t2Aeja1ICb42k122Ak22t12t22(2.7)IAa112t1t2Acos當(dāng)環(huán)的兩個(gè)耦合區(qū)對(duì)稱(chēng)耦合時(shí)，ICK2A（）IA(1TA)24TAsin2(2)把式(2．2)代入到式(2．5)，(2．8)中，采用必然的半徑R，耦合系數(shù)K，耗費(fèi)因子A，即可得如圖2．3，可獲得微環(huán)端口B，C的輸出特件曲線。圖2．3微環(huán)諧振器的傳輸特點(diǎn)曲線上述的公式，也可也采用法-泊腔的原理進(jìn)行推導(dǎo)，把各次耦合到C端口的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行疊加，利用多光束干涉的原理也可以推導(dǎo)出公式(2．8)，推導(dǎo)過(guò)程以下，b4k1k2Aej/2(1At1t2ejA2t12t22ej2)a1（2.9）k1k2Aej/21(At1t2ej)k1Att2ej當(dāng)k時(shí)，式(2．9)變?yōu)橄率?，b4k1k2Aej/2（2.10）a11At1t2ej若是k不趨于無(wú)量，也就是說(shuō)光在環(huán)中傳輸幾圈今后輸出，式(2．9)式取絕對(duì)值的平方，得2j2b4k1k2Ae/2(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)（2.11）a1j21At1t2e式(2．11)中由于項(xiàng)(1A2kt12kt22k2Akt1kt2kcosk)的存在，當(dāng)k值較小的時(shí)候，(2．10)式的近似不可以立，所以用FDTD對(duì)微環(huán)諧振器進(jìn)行模擬的時(shí)候，在時(shí)間較短的情況下，C端口的輸出是不牢固的，這也是微環(huán)諧振器仿真模擬的時(shí)候需要較長(zhǎng)的時(shí)間的原因。2.3雙環(huán)諧振腔的濾波特點(diǎn)2．3．1單環(huán)的傳輸特點(diǎn)圖2.4：?jiǎn)蝹€(gè)微環(huán)諧振器如圖2.7，給出單環(huán)微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，tl，kl為入射直波導(dǎo)和環(huán)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t2，k2為環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。無(wú)耗費(fèi)的情況下，Drop端和Though端的輸出為，bb

t1t2ej1j/21t1t2ek1k2ej/241t1t2ej

aa

11

(2．12a)(2．12b)2．4．2雙環(huán)的傳輸特點(diǎn)如圖2．8，給出雙環(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(gè)環(huán)之間的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)，t3，k3第二個(gè)環(huán)和出射直波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和耦合系數(shù)。先看湊近Drop端的環(huán)，由公式(2．12a)可得，t2t3ejja3T2a3(2．13a)b3t1t2e1把b3與a3間的傳輸系數(shù)定義為T(mén)2，再看上面的環(huán)，由公式(2．12a)可得Though端的輸出，t1T2ejja1(2．13b)b1t1T2e1圖2.5：雙環(huán)微環(huán)諧振器下面推導(dǎo)雙環(huán)Drop端的輸出，先看湊近入射波導(dǎo)的環(huán)，由(2．12b)，得k1ek/2(2．14a)a31t1T1eja1K1a1再看湊近輸出波導(dǎo)的環(huán)，由公式(2．12b)可得Drop端的輸出，a6k2k3ej/2K1k2k3ej/2(2．14b)1t2t3eja31t2t3eja13Beamprop和Fullwave介紹Beamprop是一個(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，專(zhuān)用于設(shè)計(jì)集成光學(xué)波導(dǎo)元件和光路。此軟件使用先進(jìn)的有限差分光束流傳法(finite-differencebeampropagationmethod)來(lái)模擬解析光學(xué)器件。用戶(hù)界面友好，解析和設(shè)計(jì)光學(xué)器件輕松方便。其主程序?yàn)橐惶淄隄M(mǎn)的用于設(shè)計(jì)光波導(dǎo)元件和光路CAD設(shè)計(jì)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(chǎng)以及各種顯示、解析功能選項(xiàng)。另一功能為模擬程序，它可以在主程序內(nèi)或獨(dú)立執(zhí)行模擬解析工作，以圖形方式顯示域的特點(diǎn)以及用戶(hù)感興趣的各種數(shù)值特點(diǎn)。Fullwave是一高度整合之復(fù)雜光子組件仿真設(shè)計(jì)解析軟件，它使用－有限差分時(shí)域之模擬解析方法，藉以解析一般光束流傳法所無(wú)法建立模型解析的光子組件，比如光晶體與環(huán)狀共振器等。所以，RSoft企業(yè)所開(kāi)發(fā)的BeamPROP與FullWAVE軟體，兩者實(shí)際上是擁有互補(bǔ)之作用。其主控程序?yàn)锽eamPROP之CADLayout系統(tǒng)，用來(lái)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)組件及光路，亦即BeamPROP與FullWAVE共享同一個(gè)CADLayout程序。濾波特點(diǎn)仿真4.1BeamProp參數(shù)設(shè)置步驟打開(kāi)BeamProp軟件所在文件夾，打開(kāi)CADLayout程序，開(kāi)始此次的仿真。第一在菜單中選擇“NewCircuit”，爾后更正其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖4.1所示。圖4-1BeamProp參數(shù)設(shè)置爾后點(diǎn)擊“EditSymbols”按鈕進(jìn)行變量定義，如圖4.2所示：圖4-2變量定義爾后進(jìn)行濾波器的繪制，爾后每個(gè)部分分別都要進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)過(guò)右鍵點(diǎn)擊每個(gè)部分就可以更正參數(shù)，第一個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.3所示：圖4-3第一個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置第二個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置如圖4.4所示：圖4-4第二個(gè)圓柱的參數(shù)設(shè)置輸入的參數(shù)設(shè)置如圖4.5所示：圖4-5輸入的參數(shù)設(shè)置檢查指數(shù)資料為了看清楚濾波器的指數(shù)耗費(fèi)，我們需要檢查指數(shù)資料。點(diǎn)擊“ComputeIndexProfile”按鈕即可查察并更正了。如圖4.6所示：圖4-6指數(shù)資料解析建立現(xiàn)在濾波器已經(jīng)定義好了，就需要監(jiān)測(cè)器去查察解析。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄中的“EditPathways”按鈕，爾后點(diǎn)擊“New”將各部件涂成綠色。爾后點(diǎn)擊“Monitors”打開(kāi)監(jiān)測(cè)器對(duì)話框，連續(xù)點(diǎn)擊“New”，讓第一個(gè)保持在默認(rèn)狀態(tài)，在第二個(gè)監(jiān)測(cè)器對(duì)話框中，將“MonitorComponent”設(shè)為“Major—Backward”。當(dāng)幾個(gè)監(jiān)測(cè)器設(shè)置正確后，進(jìn)行下一步仿真。仿真點(diǎn)擊“PerformSimulation”圖標(biāo)打開(kāi)仿真對(duì)話框，爾后在仿真對(duì)話框的參數(shù)設(shè)置如圖4.7所示：圖4-7仿真參數(shù)設(shè)置爾后就能得出仿真結(jié)果，由于是FTDT法仿真，所以時(shí)間較久，下面是不同樣時(shí)期，如圖4.8，4.9，4.10所示：圖4-8開(kāi)始時(shí)仿真結(jié)果圖4-9中期仿真結(jié)果（第一個(gè)環(huán)產(chǎn)生諧振）圖4-10最后仿真結(jié)果心得領(lǐng)悟隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)于光纖通信系統(tǒng)的通信容量的需求正呈級(jí)數(shù)增添，而大規(guī)模集成光學(xué)無(wú)疑將成為未來(lái)大容量高速度光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分。微環(huán)諧振腔以其功能多樣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、集成度高等特點(diǎn)已經(jīng)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在做本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感想最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完滿(mǎn)，查閱這方面的設(shè)計(jì)資料是十分必要的，同時(shí)也是必不可以少的。過(guò)沒(méi)想到這項(xiàng)看