双环光波导电光调制器设计.docx
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双环光波导电光调制器设计
附件1：
学号：
课程设计
题目
学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
月
日
课程设计任务书
学生姓名：
刘金猛专业班级：
电子科学与技术1301班
指导教师：
钟毅工作单位：
信息工程学院
题目:
双环光波导电光调制器的设计
初始条件：
本设计使用Matlab软件，通过在外加电场的作用下，电光聚合物折射率的变化，从而得到光信号的相位，延时以及频率的变化。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
通过使用Matlab编程实现光信号在外加电场的作用下，得出光信号的变化函数。
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：
1、20年月日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、20年月日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。
3、20年月日至20年月日，方案选择和电路设计。
4、20年月日至20年月日，电路调试和设计说明书撰写。
5、20年月日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
在分析微环谐振调制器时，传统的静态耦合模理论无法对微环谐振器的动态特性进行准确的分析，因此研究可获得精确结果、且利于计算机编程的动态分析方法十分必要。
此外，设计可获得高质量调制输出信号，且调制带宽大、调制电压低的微环谐振调制器非常重要。
随着社会的发展和科技的进步，人们对通信网络提出了高速度和大容量的要求，光纤通信应运而生。
集成光学器件不仅是光纤网络的重要组成部分，而且促进了光纤通信的发展。
作为集成光学中的关键器件，光调制器是高速、长距离光通信中不可或缺的一部分。
由于微环谐振调制器体积小、集成度高，功耗低，因此被广泛应用于集成光电子器件中。
关键词：
谐振器，调制器，调制特性，带宽
Abstract
Ontheanalysisofthemicroringmodulatorofresonance,thetraditionalstaticcoupled-modetheorytothedynamiccharacteristicsofthemicroringresonatoraccurateanalysis,sotheaccurateresultscanbeobtained,andconducivetocomputerprogrammingmethodofdynamicanalysisisnecessary.Inaddition,thedesigncanobtainhighqualityoutputsignal,modulationandlargemodulationbandwidth,lowvoltagemodulationoftheresonantmicroringmodulatorisveryimportant.
Withthedevelopmentofthesocietyandtheprogressofscienceandtechnology,thecommunicationnetworkisputforwardtherequirementofhighspeedandlargecapacity,opticalfibercommunicationarisesatthehistoricmoment.Integratedopticaldevicenotonlyisanimportantpartoffiberopticnetwork,butalsopromotedthedevelopmentofopticalfibercommunication.Asthekeydeviceinintegratedoptics,opticalmodulatorisanintegralpartofhighspeedandlongdistanceopticalcommunication.Duetothemicroringresonancemodulatorissmallinsize,highintegration,lowpowerconsumption,thereforetheyarewidelyusedinintegratedoptoelectronicdevices.
Keywords:
resonators,modulator,modulationcharacteristics,bandwidth
1MATLAB简介
Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。
它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面良好的用户环境。
它还包括了Toolbox（工具箱）的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。
其特点是：
（1）可扩展性：
Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功能的M文件。
对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数。
从而大大扩展了其应用范围。
当前支持Matlab的商用Toolbox（工具箱）有数百种之多。
而由个人开发的Toolbox则不可计数。
（2）易学易用性：
Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需要用户深刻了解算法及编程技巧。
（3）高效性：
Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。
如fft语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功能。
它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。
据MathWorks公司声称，Matlab软件中所包含的Matlab源代码相当于70万行C代码。
由于Matlab具有如此之多的特点，在欧美高等院校，Matlab已成为应用于线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具：
在研究单位、工业部门，Matlab也被广泛用于研究和解决各种工程问题。
当前在全世界有超过40万工程师和科学家使用它来分析和解决问题。
Matlab作为科学计算软件，主要适用于矩阵运算和信息处理领域的分析设计，它使用方便、输入简捷，运算高效、内容丰富，并且有大量的函数库可提供使用，与Basic，C和Fortran相比，用Matlab编写程序，其问题的提出和解决只需要以数学方式表达和描述，不需要大量繁琐的编程过程。
利用Matlab软件并通过计算机仿真光学空间滤波实验过程的新方法,其特点是：
既可以随意改变所设计滤波器的参量，又可以对输入图像进行振幅、相位或复合滤波，并且可实现傅里叶变换频谱中相位信息的提取、存储和利用，因而能够完成一般光学实验中往往难以实现的某些操作.并分别给出了网格滤波、低通、高通及相位滤波等仿真实验结果。
这种仿真实验给光学滤波器的设计和图象处理带来很大方便，同时也为相关器件的设计提供了一条新的途径。
2MATLAB软件系统构成
MATLAB软件主要包括主包、Simulink和工具箱三大部分组成。
图1为MATLAB界面：
2.1MATLAB语言
MATLAB可以认为是一种解释性语言，可以直接在MATLAB命令窗口键入命令，也可以在编辑器内编写应用程序，这样MATLAB软件对命令或程序中各条语句进行翻译，然后在MATLAB环境下对它进行处理，最后返回运算结果。
MATLAB语言的基本语句结构为：
变量名列表=表达式
其中等号左边的变量名列表为MATLAB语句的返回值，等号右边是表达式的定义，它可以是MATLAB允许的矩阵运算，也可以使函数调用。
等号右边的表达式可以由分号结束，也可以由逗号或回车结束，但他们的含义是不同的，如果用分号结束，则左边的变量结果将不在屏幕上显示出来，否则将把结果全部显示出来。
MATLAB语言和C语言有所不同，在调用函数式MATLAB允许一次返回多个结果，这时等号左边是用[]括起来的变量列表。
2.2MATLABGUI设计工具简介
图形用户界面的程序是在图形界面下创建与用户交互的控件元素，用户可以通过操作这些交互控件实现特定的功能，并且可以返回显示在程序界面相应的结果显示区域中。
因此，用户只和前台界面下的控件发生交互，而所有运算、绘图等内部操作都分装在内部，终端用户不需要去追究这些复杂过程的代码。
图形用户界面编程大大提高了用户使用MATLAB程序的易用性。
在Matlab中，图形用户界面（graphicaluserinterface，GUI）是Matlab中一个专用于GUI程序设计的向导设计器，而GUI是由各种图形对象，如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等构建的用户界面，是人机交互的有效工具和方法。
通过GUIDE可以很方便地设计出各种符合要求的图形用户界面。
用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。
GUI设计既能以基本的Matlab程序设计为主，也能以鼠标为主，利用GUIDE工具进行设计，也可综合以上两种方法进行设计。
GUIDE主要是一个界面设计工具集。
Matlab将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为相应方式的设置方法。
GUIDE将用户保存设计好的图形用户界面保存在一个FIG资源文件中，同时自动生成包含图形用户界面初始化和组件界面布局控制代码的M文件，这个M文件为实现回调函数的编写提供了一个参考框架。
FIG文件是一个二进制文件，包含系列化的图形窗口对象。
所有对象的属性都是用户创建图形窗口时保存的属性。
该文件最主要的功能是对象句柄的保存。
M文件包含GUI设计、控制函数及控件的回调函数，主要用来控制GUI展开时的各种特征。
该文件基本上可以分为GUI初始化和回调函数2个部分，控件的回调函数可根据用户与GUI的具体交互行为分别调用。
GUI所含有的所有控件必须随时对鼠标的单击做出回应，当然也要对可能的键盘输入做出恰当的回应。
创建GUI组建的三个主要部分如下：
（1）构成：
GUI的所有项目都是图形界面的重要构成（按钮、标签、可编辑框等）。
（2）图形窗口：
GUI的所有构成都必须安放在图形窗口中，该图形窗口就显示在计算机屏幕上。
（3）回调函数：
对无论是鼠标的单击，还是对菜单的选取，还是对可选框的选取等操作作出反应，能够通过回调函数执行相应语句，完成用户需求。
也即是说GUI的所有图形组件实际上就是一个回调函数与可执行函数语句的链接。
上面三个部分中，最后一条最为重要。
如果想建一个性能好的GUI界面，首要的就是回调函数必须能够很好地连接需要执行的MATLAB语句。
2.3GUI开发环境
在MATLAB的命令窗口里输入GUIDE，确认后就可以进入到GUIDE开发环境下，或者单击菜单File→New→GUI来打开开发环境。
环境窗口如图：
设计界面的过程就是把我们需要的控件从控件调色板拖到（或复制到）控件布局编辑区，并使用列队工具把这些控件排列整齐合理的过程。
把控件拖到编辑区的方法有两种：
一是用鼠标单击所需要的控件，然后在编辑区再单击鼠标即可得到我们所需要的控件；另一种方法是选中我们需要的控件，然后再编辑区用鼠标滑过的框区就会生成开一个大小等于矿区的控件。
图2环境窗口
GUIDE还提供一个菜单编辑工具，用来编辑窗口标题栏下面的下拉式菜单，以及用鼠标右键单击控件调出的弹出式菜单。
选择GUIDE的菜单Tools|MenuEditor,可以打开菜单编辑器，如下图所示。
MenuBar为常规的下拉式菜单，ContextMenus为弹出式菜单。
单击按钮，可以添加新的菜单项；单击按钮，可以在所选择的菜单项下面添加子菜单；单击按钮可以删除所选的项。
2.4设计原则
由于要求不同，设计出来的界面也就千差万别，设计好的图形界面需要考虑以下因素：
（1）简单性
设计界面时，力求简洁、清晰地体现界面的功能和特征。
删去可有可无的一些设计，保持整洁。
图形界面要直观，减少窗口数目。
（2）一致性
即要求界面的风格尽量一致，不要和已经存在的界面风格截然相反。
（3）习常性
界面设计时，尽量使用人们所熟悉的标志和符号。
（4）其他因素
还要注意界面的动态性能。
比如界面的响应要速度、连续，对长时间运算的要给出等待的时间提示，并允许用户中断运算等等。
3．有源双环微谐振腔
3.1有源双环微谐振腔的工作原理
双环微谐振腔是在单环微谐振腔的基础上发展而来的谐振腔系统，结构如图4所示。
它由两个相互耦合的微环MR1和MR2，再与一根直波导直接耦合所得。
MR1和MR2之间的光纤耦合器为C1，MR1和直波导之间的光纤耦合器为C2，MR2和直波导之间的光纤耦合器为C3。
光波可以从直波导的任意端口输入，经两个微环传输后再由直波导的左右两个端口输出。
由于两个微环之间也存在耦合，所以微环内存在两种传播模式：
逆时针传播模式和顺时针传播模式。
图4双环微谐振腔
在两个微环（MR1和MR2）之间的耦合交界处，耦合方程为：
在微环MR1和直波导的耦合交界处，耦合方程为：
在微环MR2和直波导的耦合交界处，耦合方程为：
在微环MR1中的各个光场的相位在传输中会发生相应的变化，该变化满足以下方程：
同理，在微环MR2中传输的各个光场的相位满足以下变化：
其中δ为光场在微环内绕行一周所产生的内部相移；δ=nωL/c；微环波导的周长：
L=2πR，R为微环波导的半径；n为微环波导的有效折射率，g为微环内存在的增益。
将式（3.7）和式（3.8）写成矩阵的形式：
定义传输矩阵:
此外在直波导中传输的光场A2+,A2-满足以下相位变化：
式中1L为直波导上两个耦合器C2和C3之间的距离。
由式（3.3），式（3.4）和式（3.5）可得以下矩阵方程：
令矩阵
联立式（3.9）和式（3.12），可以得到以下等式：
令矩阵Y=M3QM1QM2,假设：
将式（3.11）和式（3.14）代入式（3.13），并将矩阵方程展开，可以得到以下四个方程：
可以得到双环微谐振腔系统的透射端口的透射率为:
透射信号的相移为:
以及透射信号的时延为:
反射端口的反射率为:
反射信号的相移为:
以及反射信号的时延为:
3.2双环微谐振腔的传输特性分析
根据式（3.16），对双环微谐振腔系统的输出特性曲线进行仿真分析。
双环微谐振腔系统两个输出端的输出特性曲线如下图3.5所示。
仿真过程中，参数取值如下：
微环半径：
R=10μm；
有效折射率：
n=2；
微环内增益：
g=0；
三个耦合器的交叉耦合系数：
t1=10.0167,t2=t3=0.3t。
图4双环微谐振腔的输出特性曲线
双环微谐振腔的谐振频率计算与单环微谐振腔的谐振频率类似，当δ=2qπ时，其中q表示自然数，即光波与谐振腔达到相位匹配时，光波在微环内发生谐振。
所以双环微谐振腔系统的谐振点就是归一化频率δ/2π为自然数的点。
当微谐振腔内的增益为0时，系统的输出特性曲线如图7所示，在归一化频率δ/2π为自然数时光波就会被限制在谐振腔内，此时透射率迅速减小，曲线会形成一个尖锐的谐振谷。
反射率则迅速增大，反射曲线会形成一个尖锐的谐振峰。
发生谐振的光信号在输出后会积累相位，从而产生相应的时间延迟。
如上图所示，透射信号和反射信号的相移曲线都是有规律的阶梯状曲线，光场每经过一个微环就会产生2π的相位突变。
因此在双环微谐振腔系统中，在谐振点处的输出光场有4π的相位突变。
对比单环微谐振腔的输出信号的时延，双环谐振腔的透射端和反射端都能输出时延较大的慢光。
由此可见，通过级联多个谐振腔可以增大输出信号的群时延。
4.基于微环谐振腔的频率可调滤波器
光滤波器是一种利用光学元件对不同波长的光产生不同透过率来进行光滤波的光学器件。
在光纤中基于波分复用的数据传输依赖于光滤波器对波长的精确选择。
通常在设计和制作一个无源谐振腔器件时，该无源器件的各个参数已经确定了，因此该谐振腔器件的谐振波长也都是固定不变的。
此时为了更好的控制光信号的传输，迫切需要研究新的方法来动态调整光子谐振腔的谐振波长。
当光波与谐振腔达到相位匹配时，光才能从系统的下路端输出，而非谐振波长的光将从该结构的直通端输出，从而实现了微环谐振腔的选频滤波功能。
在本节中提出一种基于微环谐振腔的频率可调滤波器。
4.1模型分析
在本节中提出了一种基于微环谐振腔的频率可调滤波器，它和一般的谐振腔滤波器的区别在于：
采用电光聚合物作为微环波导的材料，并且在微环波导的表面涂上一层低折射率材料。
电光聚合物材料有着低色散，电子相应速度快，电光系数高等优点。
它较强的电光特性，使其广泛应用于芯片集成技术。
图5基于微环谐振腔的频率可调滤波器结构图
频率可调滤波器的结构如图5所示，由电光聚合物材料构成的微环谐振腔与两根直波导直接耦合。
微环的左右电极处于同一电势，中间电极接地。
由于电光聚合物材料的电光系数很高，可以通过调整左右电极的电势大小来动态控制微环波导的有效折射率，从而导致微环谐振腔系统谐振波长的变化。
系统两个输出端的输出透射率与波长息息相关，直通端输出可以作为带阻滤波器，下路端输出可以作为带通滤波器。
4.2微环谐振腔
微环谐振腔内只存在一种传输模式：
逆时针传输。
a1（0）、a1（L）、a1'（0）、a1'（L）都是微环内的传输光场，其中z是光场在微环谐振腔内传输的距离，令微环谐振腔与下波导（BW1）的耦合处：
z=0，而与上波导（BW2）的耦合处：
z=L。
另外a1d,a1t分别是微谐振腔系统的下路端（drop）输出和直通端（through）输出。
图8中耦合器Ci（i=1,2）的直通耦合系数和交叉耦合系数分别为ri，ti,当忽略耦合损耗时，r12+ti2=1。
微环谐振腔的半径为R，L是环形谐振腔周长的一半：
L=πR。
在微环谐振腔和下波导（BW1）的耦合交界处，耦合方程为:
在微环谐振腔和上波导（BW2）的耦合交界处，耦合方程为：
由于电光聚合物材料的电光系数很高，因此外加电场的变化会引起电光聚合物材料的有效折射率的变化，而在微环谐振腔中，有效折射率的变化会转化为相位调制。
因此光信号在微环中的传输特性会发生变化。
假设在电光聚合物调制器中，外加电场的方向垂直于光信号的传输方向。
在外加电场的作用下，电光聚合物折射率的变化满足以下等式：
因此微环谐振腔的有效折射率为：
其中，U为电源的输出电压，n表示在没有外加电场作用情况下电光聚合物材料的有效折射率；d为两电极之间的距离；γ33为电光聚合物材料的电光系数；工作在在外加电压U下的微环的有效折射率是neff。
此外光场在微环中传输时的相位也会发生变化，当不考虑光场在微环中的传输损耗时，该变化满足以下传输方程。
其中δ是光信号经微环传输半周后所产生的相移；c是光在真空中的传播速度；ω是光信号的频率；L2是在外加电场作用下的一段微环的长度。
将式（4.9）和式（4.10）带入耦合方程（4.5）和（4.6）可以得到以下等式：
下面利用方程（4.12a）来研究加电压U对微环谐振腔系统谐振波长的影响。
增大外加电压U，仿真该谐振点的谐振波长随电压U变化的关系曲线。
结果如图9所示。
由图9可知，随着电压的增大，该谐振点的谐振波长在1560nm附近周期性变化，电压周期约为0.23V。
这个结论表明调整外加电压可以实现系统谐振波长的可调性，并且所需的电压较小。
5心得体会
本文在对微环谐振器的场传输模型进行分析时，采用动态分析的研究思路，而不是静态耦合模式理论。
这种方法还需要更多的优化和完善，同时需要设计更多不同结构的微环谐振调制器来检验此方法的适用性和计算的精确性。
在用信号流程图法分析微环谐振器的过程中，需要解决非对称问题与非均匀问题，以往的方法都未能解决这些问题，这些问题的解决将能有效提高计算方法对复杂结构微环谐振器的分析能力外，对于结构各异的微环谐振器，采用不同的调制方式也能获得不同的调制特性。
微环谐振器凭借体积小、结构灵活、容易集成等优势，成为集成光学中一种十分重要的元件。
由于微环谐振器能为自身提供光反馈，且其谐振效应能够增强调制效果，因此微环谐振器被广泛应用于光调制器之中。
在研究和设计微环谐振调制器时，拥有一套能建立理论模型并实现高效准确计算的方法十分重要。
参考文献
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西安电子科技大学出版社，2002.5
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希望电子出版社，2002.9
[3]朱正涌.半导体集成电路.北京：
清华大学出版社，2001.12
[4]谢嘉奎.自由光谱范围加倍的单微环谐振滤波器.北京：
高等教育出版社，2013.3
[5]丰昀，李齐良，王哲.微环谐振腔中非线性开关效应的理论研究.北京：
电子工业出版社，2011.7
[6]贾新章.电子电路CAD技术.西安：
西安电子科技大学出版社，2002.3
附录：
T=inline（'（1-k^2）^0.5','k'）;
f=0.5*pi:
0.1:
9.5*pi;
k2=0.38;k1=0.38;a=1;
x=f/pi;
D=（（a*k1^2*k2^2）./（（1a*T（k1）*T（k2））^2+4*a*T（k1）*T（k2）*（sin（f/2））.^2））;
plot（x,D）;
axis（[1901]）;
xlabel（'Normalizedfrequency/（pi）'）;
ylabel（'Normalizedoutput'）;
t=0.24;
x=0:
0.01:
1;
y=mod（x+0.01,0.24）*7+1558;
plot（x,y）;
%axis（[1901]）;
xlabel（'voltage（V）'）;
ylabel（'resonacewavelength'）;
本科生课程设计成绩评定表
姓名
刘金猛
学号
0121309341206
专业、班级
电子科学与技术1301班
课程设计题目：
双环光波导电光调制器
课程设计答辩或质疑记录：
1什么是光滤波器？
光滤波器是一种利用光学元件对不同波长的光产生不同透过率来进行光滤波的光学器件。
在光纤中基于波分复用的数据传输依赖于光滤波器对波长的精确选择。
通常在设计和制作一个无源谐振腔器件时，该无源器件的各个参数已经确定了，因此该谐振腔器件的谐振波长也都是固定不变的。
此时为了更好的控制光信号的传输，迫切需要研究新的方法来动态调整光子谐振腔的谐振波长。
2怎么计算双环微谐振腔的谐振频率？
双环微谐振腔的谐振频率计算与单环微谐振腔的谐振频率类似，当δ=2qπ时，其中q表示自然数
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