武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析.docx

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武汉理工大学非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

电子1101班

指导教师：

洪建勋工作单位：

信息工程学院

题目:

非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性分析

初始条件：

计算机、beamprop软件（或Fullwave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beamprop软件（或Fullwave软件）。

（2）对非对称双环微环谐振滤波器进行理论学习和特性分析。

（3）对非对称双环微环谐振滤波器的滤波特性进行Fullwave软件仿真工作。

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：

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

2微环谐振滤波器2

2.1　微环谐振腔简介2

2.2　微环谐振滤波器的基本结构2

2.3　微环谐振滤波器的工作原理3

2.4双环谐振腔的滤波特性5

3Beamprop和Fullwave介绍6

4滤波特性仿真6

4.1BeamProp参数设置步骤6

4.2检查指数资料9

4.3分析建立10

4.4仿真10

5心得体会14

参考文献15

摘要

随着近年来平面加工工艺水平的不断提高，基于平面波导的光微环谐振器受到人们的关注和研究，相关技术迅速发展。

利用光微环谐振器对光波所具有的滤波功能来研制光滤波器，是光微环谐振器的主要应用目标之一。

本课设采用有限差分时域法（FDTD）和时域耦合模理论，比较系统地分析了双环微环结构谐振滤波器的滤波特性。

本文介绍的是通过Fullwave软件进行谐振滤波器的光谱仿真，Fullwave是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了Fullwave软件的介绍、谐振滤波器的原理以及其滤波特性仿真。

关键词：

谐振滤波器；Fullwave；滤波特性仿真

Abstract

Planarwaveguide-basedopticalmicro-ringresonatorswithplanarprocessingtechnologyinrecentyearsthelevelofattentionandresearch,therapiddevelopmentofrelatedtechnologies.Theuseofopticalmicro-ringresonatorswithlightwavesofthefilterfunctiontothedevelopmentoftheopticalfilterisoneofthegoalsofthemainapplicationsofopticalmicro-ringresonator.Thislessonsetusingthefinitedifferencetimedomain（FDTD）methodandtimedomaincoupledmodetheory,amoresystematicanalysisofthefilteringpropertiesofthedoubleloopmicro-ringstructureoftheresonantfilter.

ThisarticledescribesthespectrumoftheresonantfilterFullwavesoftwaresimulation,Fullwaveisaverystrongpracticalopticalapplications,containstheFullwavesoftware,thesimulationoftheprincipleoftheresonantfilterandfiltercharacteristics.

Keywords:

resonantfilters;Fullwave;filtercharacteristicsimulation

1绪论

利用多种材料制作的微环谐振器由于结构简单、集成度高、性能优良,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，在有源和无源光通信网络中有着重要的应用。

利用微环的谐振功能，可以制成滤波器、调制器、光学传感器、双环谐振激光器等。

利用光微环谐振器对光波所具有的滤波功能来研制光滤波器，是光微环谐振器的主要应用目标之一。

特别是随着近年来平面加工工艺水平的不断提高，基于平面波导的光微环谐振器受到人们的关注和研究，相关技术迅速发展。

由于采用单环光谐振器的光滤波器在通带结构上固有的局限性，人们提出了采用多环串联耦合或并联耦合结构的高级次光谐振器来改善通带结构,相对其它高级次结构，二级微环具有最为简单的调谐要求。

本次课设将对双环耦合结构的二级光谐振器（简称双环光微谐振器）的光滤波特性进行分析。

首先给出双环光微谐振器的传递函数；在此基础上进行其滤波特性分析，明确环与环间和环与输入输出光引导波导间的光功率耦合大小对滤波特性的影响，清晰通带结构及可控性，比较相对单环谐振滤波器的不同与改进。

本次课设主要研究微环谐振器的基本结构，简要介绍了它的概念和应用，其中重点介绍了它的滤波特性。

2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,单环共振滤波器结构如图2.3所示,它由两个参数相同的方向耦合器和一个成微环波导构成。

其他更为复杂的结构是以单环为基本单元排列而成，如多环并联、多环串联、多环阵列等结构。

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。

用作光滤波器的双环光微谐振器的基本构成包括，两个相互耦合的光微环，以及分别与两微环相耦合的用于光波输入与输出的光引导波导。

图2.2所示是采用串联双环光微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两环间的耦合。

在图2.2中，要求光波导为单模波导。

定义k1和k2分别为衡量两引导波导与两微环间光波耦合量的出入环光耦合系数，即对于引导波导与两个微环间的两处耦合用2x2定向耦合器，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k11和k22。

同样地，定义k2为衡量两微环间光波耦合量的环间光耦合系数。

图2-2二环滤波器结构

2.3　微环谐振滤波器的工作原理

图2-3单微环滤波器结构

根据光波导耦合模理论可得:

（1）

（2）

式中,A0、B0为方向耦合器的输入光复振幅,A1、B1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,φ为光波B1经过l/2弯曲波导的相位延迟,α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）

C3和A1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）

（9）

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。

串联二环结构的微环共振滤波器的结构示于图2-4,k1和k2分别是直波导与微环波导,以及两微环波导之间构成的方向耦合器的功率耦合比。

图2-4二环滤波器结构

耦合过程是单微环滤波器的扩展,类同于单微环滤波器的处理可以得到串联二微环共振滤波器的归一化功率输出:

（10）

（11）

2.4双环谐振腔的滤波特性

优化设计的串联双微环共振滤波器可有效改善光谱的平坦化效果,滤波效果主要受k1、k2和u三个参数的影响。

定义如下波型因子g1dB和g3dB来评价光谱平坦化程度:

g1dB=ΔF1dB/FSR

g3dB=ΔF3dB/FSR

式中,ΔF1dB和ΔF3dB分别是1dB和3dB带宽,FSR是自由光谱范围。

波型因子g1dB和g3dB越大,表明光谱带宽宽,平坦化程度高,滤波光谱质量越好。

采用上式的数值解析表明k1、k2在一些特定的取值范围内可以获得较好的效果。

经计算寻优,得到当k1取值为0.5,k2取值在[0.12,0.15]范围内时,有好的滤波效果。

与单环比较,光谱平坦化程度得到了大幅改善。

串扰低于-25dB,远远小于单环的情况。

值得注意的是,在波导弯曲损耗对器件输出特性的影响方面,二环结构比单环结构的要小很多。

3Beamprop和Fullwave介绍

Beamprop 是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。

此软件使用先进的有限差分光束传播法 （finite-difference beam propagation method）来模拟分析光学器件。

用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。

其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：

数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。

另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。

Fullwave是一高度整合之复杂光子组件仿真设计分析软件，它使用－有限差分时域之模拟分析方法，藉以分析一般光束传播法所无法建立模型分析的光子组件，例如光晶体与环状共振器等。

因此，RSoft公司所开发的 BeamPROP 与 FullWAVE 软体，两者实际上是具有互补之作用。

其主控程序为 BeamPROP 之 CAD Layout 系统，用来设计光波导组件及光路，亦即 BeamPROP 与 FullWAVE 共享同一个 CAD Layout 程序。

4滤波特性仿真

4.1BeamProp参数设置步骤

打开BeamProp软件所在文件夹，打开CADLayout程序，开始这次的仿真。

首先在菜单中选择“NewCircuit”，然后修改其中的“FreeSpaceWavelength”、“BackgroundIndex”、“IndexDifference”和“WaveguideWidth”参数，参数设置如图4-1所示。

图4-1BeamProp参数设置

然后进行滤波器的绘制，如图4-2所示

图4-2双环滤波器模型

然后点击“EditSymbols”按钮进行变量定义，如图4-3所示：

图4-3变量定义

然后进行滤波器的绘制，然后每个部分分别都要进行设置，通过右键点击每个部分就可以修改参数，第一个圆柱的参数设置如图4-4所示：

图4-4　第一个圆柱的参数设置

第二个圆柱的参数设置如图4-5所示：

图4-5第二个圆柱的参数设置

输入波导设置如图4-6所示：

图4-6输入波导设置

4.2检查指数资料

为了看清楚滤波器的指数损耗，我们需要检查指数资料。

点击“ComputeIndexProfile”按钮就可查看并修改了。

如图4-7所示：

图4-7指数资料

4.3分析建立

现在滤波器已经定义好了，就需要监测器去查看分析。

点击左侧工具栏中的“EditPathways”按钮，然后点击“New”将各部件涂成绿色。

然后点击“Monitors”打开监测器对话框，连续点击“New”，让第一个保持在默认状态，在第二个监测器对话框中，将“MonitorComponent”设为“Major—Backward”。

当几个监测器设置正确后，进行下一步仿真。

4.4仿真

点击“PerformSimulation”图标打开仿真对话框，然后在仿真对话框的参数设置如图4-8所示：

图4-8仿真参数设置

然后就能得出仿真结果，因为是FTDT法仿真，所以时间较久，下面是不同时期，如图4-9，4-10，4-11所示：

图4-9开始时仿真结果

图4-10中期仿真结果（第一个环产生谐振）

图4-11最终仿真结果

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。

结果如图4-12

图4-12波导光传播的模拟

由以上结果可知该滤波器微环发生了耦合，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，确有滤波作用。

5心得体会

通过对串联双环谐振滤波器的设计发现：

当两个环半径相等时，优化环问耦合系数使其沿中心向两侧对称增加，可以在实现最大平坦滤波响应特性的同时，改善通带带宽和过渡带滚降特性，并消除了二阶群时延色散效应；而利用游标效应，将两个环设计成半径不等的结构，自由光谱范围将极大地增加，从而改善信道间的串扰。

本文利用FDTD法简单实用，对环型谐振滤波器的设计具有重要指导意义。

通过对微环谐振滤波器的滤波特性的归一化数值模拟和分析,得到三点结论:

各方向耦合器的功率耦合比k是器件优化设计的关键参数,直接影响器件滤波的综合特性;其次,微环波导的损耗是器件特性劣化的重要原因,必须在工艺上加以控制;第三，增加串联微环的个数不仅可以有效提高器件频谱的平坦度,而且可以扩展各方向耦合器功率耦合比k值的优化取值范围,同时可以有效减缓微环波导损耗对滤波效果的劣化影响,有助于在回路精度控制和波导品质两方面降低工艺技术的难度。

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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时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。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，在老师的身上我们学到很多实用的知识，在此我们表示感谢！

同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

！

参考文献

[1]王现银,马春生,鄂书林,等.聚合物微环谐振波分复用器传输特性的理论分析.光学学报.2005,2

[2]杨建义,江晓清,王明华.串联双环光微谐振器的滤波特性.光学学报.2003,2

[3]明海,张国平,谢建平.光电子技术.合肥:

中国科学技术大学出版社.1998.1

[4]吴朝霞,吴飞.光纤光栅传感原理及应用.北京:

国防工业出版社.2011.2

[5]孔光明,鄂书林,邓文渊,郭洪波,张大明.陈长鸣聚合物双环谐振滤波器的研究.中国激光.2009.1

[6]刘鑫,孔梅,王雪萍.损耗对串联双微环谐振器滤波特性的影响.光子学报.2011.2

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

单环微环谐振滤波器的滤波特性分析

课程设计答辩或质疑记录：

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