1、 . 課程設計任務書課程設計任務書學生：學生： 專業班級：專業班級： 電子電子 10011001 班班 指導教師：指導教師：洪建勛洪建勛 工作單位：工作單位： 信息工程學院信息工程學院 題題 目目: :單環微環諧振濾波器的濾波特性分析單環微環諧振濾波器的濾波特性分析初始條件：初始條件：計算機、Rsoft 軟件要求完成的主要任務要求完成的主要任務: : （包括課程設計工作量與其技術要求，以與說明書撰寫等具體要求）1、課程設計工作量：2 周2、技術要求：（1）學習 Rsoft 軟件。（2）設計單環微環諧振濾波器（3）對單環微環諧振濾波的濾波特性進行分析并使用 Rsoft 軟件進行仿真。3、查閱至少

2、 5 篇參考文獻。按理工大學課程設計工作規要求撰寫設計報告書。全文用 A4 紙打印，圖紙應符合繪圖規。時間安排：時間安排：2013.12.9 做課設具體實施安排和課設報告格式要求說明。2013.12.10-2013.12.14 學習 Rsoft 軟件，查閱相關資料，復習所設計容的基本理論知識。2013.12.15-2013.12.19 對單環微環諧振濾波器進行設計仿真工作，完成課設報告的撰寫。2013.12.20 提交課程設計報告，進行答辯。指導教師簽名：指導教師簽名： 年年 月月 日日系主任（或責任教師）簽名：系主任（或責任教師）簽名： 年年 月月 日日 . 目目 錄錄摘要1ABSTRACT

3、2一、緒論3二、微環諧振濾波器42.1 微環諧振腔簡介 42.2 微環諧振濾波器的基本結構 42.3 微環諧振濾波器的工作原理 52.4 微環諧振濾波器傳輸光譜的性能參數62.5 單環諧振濾波器傳輸特性的分析 72.6 單環諧振濾波器傳遞函數的推導 7三、單環微環諧振濾波器的濾波特性仿真與分析93.1 Rsoft 軟件介紹 93.2 模擬環境的基本設置 93.3 單環微環諧振濾波器的仿真133.4 單環微環諧振濾波器的參數掃描仿真17四、心得體會19參考文獻20 . 1 / 24摘摘 要要網絡時代的迅速發展推動通信技術的飛速進步，密集波分復用（DWDM）技術解決了管線通信主干網絡的大容量問題。

4、現代的光通信向著更高容量、更高速發展。集成光學將光通信器件模塊化、小型化且大規模集成光路是未來光通信的發展方向之一。近些年來光學微環以大規模集成光路的重要結構成為了人們的關注焦點。它功能多，結構緊湊，有著很大的發展潛力。研究微環諧振腔最典型的方法是在麥克斯韋電磁方程組基礎上發展起來的耦合模理論，這種方法無論是在空間還是在時間上都可以用實驗的方法來實現。但是在研究多環系統時顯得比較繁瑣，不利于實際應用。本文中運用了一種簡便、直觀的圖示法信號流程圖法（SFG），對單環微環諧振腔的濾波特性進行分析。關鍵詞關鍵詞：波導光學；信號流程圖；微環諧振腔；光濾波器 . 2 / 24AbstractWith t

5、he 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

6、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 d

7、evelopment.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

8、 application In this paper,a simple,intuitive graphic method called signal flow graph method to analyze the output characteristics of micro-ring resonator.KeyKey wordword：Waveguideoptics;signal；flow graph；micro-ring resonator . 3 / 24一、緒論上個世紀末全球的信息產業飛速發展，隨著下一代網絡的開發，網絡將發展到第三個世界，與服務層面上的 IP 世界、傳遞層面上的光的

9、世界和接入面上的無線世界，在這種形勢下，人們對信息量的要求日益增加，對信息傳輸系統帶來了壓力和動力。高速、高效、大容量的寬帶通信網絡是現代通信網絡發展的趨勢。光是面前人們發現最理想的信息載體，不僅速度快，而且具有很高的帶寬，正滿足了如今的發展趨勢。但是由于目前光信號處理的困難和復雜性，一般的通信仍然只是在大容量的干線上采用光網絡，借助光纖通信1實現大容量、超遠距離的信號傳輸，而要對信號進行處理時，都必須完成光信號到電信號，處理完畢后再將電信號轉為光信號，這里的光電光轉換過程極限制了信號的傳輸速度，而且很大程度上依賴與電信號的處理速度，無法完全發揮光層面上的優勢。因此在如今信息爆炸的網絡時代，全

10、光網絡呼之欲出，它不僅消除了光電光轉換所需要的時間，而且能打破電傳輸時的瓶頸，使得光網絡在通信網絡的發展上有著更大的潛力，是當今通信系統的研究方向之一。集成光學對全光網絡的發展起到了很重要的作用、集成光學的概念最早是由美國Bell 試驗室的 Milier 在1969年提出，其主要目的是在一個平面襯底上將各種功能的光器件集成起來，從而實現光學系統的微型化、集成化和規模化。而本論文所研究單環上下載型微環諧振濾波器的特性，可以極方便光通信的器件的使用，必將推動全光網絡的應用。本章研究微環諧振器的基本結構，簡要介紹了他的概念和應用，其中重點介紹了作為光學濾波器的應用。 . 4 / 24二、微環諧振濾波

11、器二、微環諧振濾波器2.12.1 微環諧振腔簡介微環諧振腔簡介微環諧振腔基本結構為如圖 2-1 所示的單環結構，其他復雜結構由多個單環結構并聯或串聯構成。僅由一條直波導和微環組成的微環諧振腔為全通型微環諧振腔（如圖 2-1（a） ） 。其特點是結構比較簡單，便于分析，它主要用于延遲線、緩存器、調制器等。全通型微環諧振腔加載一個上/下載波導便成為了上/下載型微環諧振腔，其功能更加強大，運用更加廣泛。當前對微環諧振腔的研究普遍為上/下載型。(a) 全通型微環諧振腔； (b) 上下載型微環諧振腔圖 2-1 微環諧振腔基本結構示意圖2.22.2 微環諧振濾波器的基本結構微環諧振濾波器的基本結構單環諧振

12、器是微環諧振濾波器中最基本的結構,方向耦合器是構成微環濾波器的基本單元,單環諧振濾波器結構如圖2-2所示,它由兩個參數一樣的方向耦合器和一個微環波導構成。有不同波長的復信號光從主信道輸入端口輸入并耦合進入微環后，其中只有一個波長的光能滿足諧振條件而引起諧振，耦合進入下信道或豎直信道后，以這一諧振波長的輸出光強為最大從而完成了濾波功能。用作光濾波器的單環微環諧振器的基本構成包括，一個光微環以與分別與微環相耦合的用于光波輸入與輸出的光引導波導。圖2-2所示是采用單環微環諧振器的光濾波器常用結構，其中采用了定向耦合器 . 5 / 24結構實現兩根引導波導與微環間的耦合。在圖2-2中，要求光波導為單模

13、波導。定義和分別為衡量兩引導波導與微環間光波耦合量的出入環光耦合系數，單位功率光1K2K波由定向耦合器的一支波導輸入時，從另一支波導耦合輸出的分量（在此，不計入光波傳輸損耗）分別為和。11K22Kk圖 2-2 單微環濾波器結構2.32.3 微環諧振濾波器的工作原理微環諧振濾波器的工作原理根據上圖 2-2 中所示，由光波導耦合模理論可得: （1） 100A = 1 kAj kB （2）100B =j kA1 kB式中,、 為方向耦合器的輸入光復振幅,、為方向耦合器的輸出光復振0A0B1A1B幅, k 為方向耦合器的功率耦合比。設微環波導的周長是 l ,則有（3）21B =B expjexpl/2

14、) （）（式中,為光波經過 l/ 2 彎曲波導的相位延遲,為微環波導的彎曲損耗系數。1B經第二個方向耦合器的耦合,得到 （4）321BkB （5）32Cj kB （6）03exp()BBj 和分別是微環共振濾波器的下行端(drop) 和上行端(throughput) 的濾波3C1A輸出振幅。聯立以上六個公式求得微環諧振濾波器的歸一化功率輸出:0A1Ak3C1B0B2B3Bk . 6 / 24(7)22412240(1)(12cos)12(1)cos(1)thrAkuuPkkuA= （8）2320droCPA2222221(1)4(1)sin (/ 2)k uk uk uexp(),22ul 分

15、別表示波導的彎曲損耗和歸一化相位變化。微環共振濾波器的濾波效果主要由功率耦合比 k 和微環波導的彎曲損耗決定。2.42.4 微環諧振濾波器傳輸光譜的性能參數微環諧振濾波器傳輸光譜的性能參數為便于我們下一步的研究分析，在這里我們介紹一下表述微環諧振濾波器傳輸光譜性能的五個基本的參數：（1）-3dB 帶寬或者半高全寬（FWHM）：即譜線功率相對于峰值下降 3dB 的時候，譜線對應的兩波長之差或者透射率下降為最大值的一半時所對應的兩波長之差。對于無損耗的微環諧振腔，-3dB 帶寬主要由耦合系數和光程差來決定。（2）自由光譜圍（FSR）：指光譜中兩個相鄰的諧振峰之間的波長差。用來表征輸出光譜周期性的參

16、數。（3）插入損耗（Insertion Loss）：指濾波器的輸出光功率相對于輸入光功率的損失量，插入損耗要越小越好。其表達式為： （9）outinTInsertion=10logT（4）消光比（Extinction ratio）：指光學濾波器在所有偏振狀態下的最大輸出功率和最小輸出功率之比，可以用公式表示為： （10）maxminTExtinctionratio=10logT（5）形狀因子：用來描述濾波器輸出端和下載端的輸出譜線的，其被定義為 （11）1dBbandwidthShapefactor=10dBandwidth . 7 / 242.52.5 單環型諧振濾波器傳輸特性的分單環型諧振

17、濾波器傳輸特性的分析析按照上一節的闡述，我們可以把單環上/下載型諧振濾波器結構看成如圖2-2所示，由兩個22的耦合器和環形反饋腔構成。其信號流程圖則可以表示成為圖2-5所示。2C1js2js圖2-5 單環上下載諧振濾波器的信號流程圖其中，為輸入端結點，和分別表示輸出端結點和下載端結點。第1( )E z2( )Ez8( )E zi 個耦合器的耦合系數用表示，而每個耦合器的插入損耗都可以用 來表示，那么iK傳輸路徑的增益可以表示為：。同理，耦合路徑的增益則可以由(1)(1)iiCK來表示。光沿著環形反饋腔（閉合路徑）傳遞的增益與全(1)(1)iijsjk 通型單環諧振腔一樣。同樣，其自由譜寬也可以

18、由（11）式來表示。2.62.6 單環微環諧振濾波器傳遞函數的推導單環微環諧振濾波器傳遞函數的推導平行信道單環上/下載型諧振濾波器的輸出端和下載端相對于輸入端2( )Ez8( )E z的傳遞函數可以由梅森公式推導得出。1( )E z（A）從輸入端到輸出端的傳遞函數：根據圖 2-5 可知，其中包含一21( )/( )EzE z個獨立的閉環，可以表示為：(12)11 2Lc c8E z（）1C1E z（）2Ez（） . 8 / 24對于輸出端來說，從結點 1 到結點 2 的向前路徑，以與和它互不接觸的閉環的圖行列式可以表示為：(13)22 1kTc s 11 (14)1211211 211tTcL

19、c c 按照（10）式，依梅森公式我們可得信號流程圖的圖行列式：（15）將（13）（15）式代入（11），則圖2-5所示的輸出端的傳遞函數可以表示為（16）31211 2()()1tEccHEc c（B）從輸入端到下載端的傳遞函數：對于下載端來說，僅有一個向81( )/( )E zE z前路徑，而且與（13）式所給出的僅有的一個閉環相接觸。因此，我們可以得出： （17）11 211dTs s . 9 / 24三、三、單環微環諧振濾波器的濾波特性單環微環諧振濾波器的濾波特性仿真與分析仿真與分析3.13.1 RsoftRsoft 軟件介紹軟件介紹RSoft 是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含

20、了 BPM,FDTD,FEM 等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用 RSoft 算法集中的 BPM 算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。下載上的壓縮包，解壓縮后運行 Beamprop5.1.8 安裝文件文件夾中的 Setup.exe 即可進行安裝，安裝完后打開 Rsoft CAD-layout 即出現如下圖所示的 CAD 界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。圖3-1 CAD 界面3.23.2 模擬環境的基本設置模擬環境的基本設置在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基

21、本特性參數需要在此設定。Waveguide Model Dimension 項選擇2D，Simulation Tool 項由于此次設計的波導中有環形波導，所以此項選擇FullWAVE/FDTD 項，包層折射率為1（包層和芯層的折射率差為2.5） ，通信波長為1.5um。參數設置如圖3-2所示. . 10 / 24圖3-2 參數設置界面在設置好全局參數之后接下來就需要對 Time Monitor 的參數進行設置了，點擊菜單欄的 Options/Insert/Time Monitor 進入設置界面，如圖3-3所示 . 11 / 24圖3-3 Time Monitor 設置界面在 Time Moni

22、tor 的設置界面中首先是位置設置，都選用 offset 方式，接下來是時域觀察選項，選擇 Power 即選擇觀察光功率。Time Average 項選擇 Yes，下面的SpatialOutput 項也選擇 Power，在右側的 Frequency Analysis 項選擇 DFT，最后點擊OK。設置好參數之后即可開始進行單環微環諧振濾波器的繪制，最后繪制好的濾波器圖形如下圖3-4中所示。圖3-4 單環微環諧振濾波器光路圖設置光源的特性和觀察的路徑。首先設置路徑，單擊左側工具欄中的”Edit Pathways”按鈕。單擊后左側工具欄會變成路徑設置欄。點擊”New”按鈕，會新建一個路徑，再左鍵點

23、擊我們畫好的波導，使路徑與波導相一致（此時波導會變綠色） ，此次我們定義一條 Pathway 來作為后面 Launch field 的輸入波導，如圖 3-5 所示。 . 12 / 24圖3-5 設置路徑跟波導一致最后單擊左側工具欄中的”Edit Launch Field”按鈕進行光源的設置，單擊后會彈出輸入光源的設置對話框。選取波導的基模即可，如圖 3-6 所示。 . 13 / 24圖 3-6 Edit Launch Field 設置界面設置完成點擊”OK” 。至此，模擬環境已基本設置完畢。再模擬前，要需先將文件保存下來。點擊左上角”Save”按鈕即可，注意在文件保存的路徑中不允許出現空格和中

24、文3.33.3 單環微環諧振濾波器的仿真單環微環諧振濾波器的仿真為了驗證波導參數的正確性，我們需要查看波導橫截面結構。點擊左側工具欄下方的”Display Index Profile”按鈕，選擇 Display Mode 為”Contour Map (XZ)”模式，如下圖 3-7 中所示，輸入要保存文件的前綴名，并點擊”OK” ，即可看到波導橫截面的折射率分布，最后波導折射率分布圖如圖 3-8 所示，折射率曲線圖如圖 3-9 所示。 . 14 / 24圖 3-7 仿真參數設置界面圖 3-8 波導橫截面的折射率分布 . 15 / 24圖 3-9 波導橫截面的折射率曲線 從折射率曲線我們可以看到有

25、四條豎線折射率達到了 3.5，其他位置的折射率都為1，這是因為這四條豎線分別屬于兩條直波導和中間的環形波導所在的截面的折射率是3.5，而背景折射率是 1，所以才會顯示這種圖形。最后便是波導的仿真操作了，點擊工作截面左側的 Perform Simulation，在出現的設置界面中設置好各項參數，如圖 3-10 所示，設置好參數之后在 Output Prefix 中輸入保存的文件名，最后點擊 OK 就能出現仿真的顯示界面，單環微環濾波器的仿真圖如圖 3-11 所示，頻譜分析圖如圖 3-12 中所示。圖 3-10 Perform Simulation 設置界面 . 16 / 24圖 3-11 單環微

26、環諧振濾波器仿真 . 17 / 24圖 3-12 頻譜分析從 3-11 的濾波器仿真圖中可以看出，兩種模式的輸入光波最后在輸出的光波中有一種光功率一直是 0 而另一種一直在接近 1 的附近，這表明經過微環濾波器之后其中一種模式的光波被濾掉了，而另一種光波得以通過。仿真結果表明，該濾波器微環與波導發生了耦合并產生諧振，從輸入波導中選取了預測頻率，輸出波導頻率與預測數值一樣，該單環微環諧振濾波器確有濾波作用。3.43.4 單環微環諧振濾波器的參數掃描仿真單環微環諧振濾波器的參數掃描仿真在上一步的仿真中只是取一種波導參數的結果，如果需要改變波導參數，則需要重新作仿真，所以接下來需要進行的是參數掃描仿

27、真，點擊軟件工作界面的 Perform Parameter Scan 進入參數掃描仿真的界面，如圖3-13所示。圖3-13 參數掃描仿真設置界面在設置界面依次設置好需要掃面的變量名稱、起始值、終止值，掃描間隔以與保存的文件名稱之后點擊下方的 OK 便能讓計算機自動進行掃描。如上圖3-13中，掃描的 . 18 / 24變量名為 delta（折射率之差），掃描起始值為1.5，終止值為3.5，掃描間隔為0.1，保存文件的名稱為 indexscan1，最后掃描完成后的曲線圖如圖3-14中所示。圖3-14 delta 變量的參數掃描結果從上圖3-14中可以看出，本次掃描從1.5到3.5一共進行了20次，從掃描的結果可以看到，在本次掃描的精度，delta（折射率之差）在1.7左右時，單環微環諧振濾波器的濾波效果最好。 . 19 / 245.心得體會課