單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析(光電子課程設計)

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性分析 </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　計算機、Rsoft軟件</p><p>

2、;　　要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　1、課程設計工作量：2周</p><p><b>　　2、技術要求：</b></p><p>　　（1）學習Rsoft軟件。</p><p>　?。?）設計單環(huán)微環(huán)諧振濾波器</p><p&g

3、t;　?。?）對單環(huán)微環(huán)諧振濾波的濾波特性進行分析并使用Rsoft軟件進行仿真。</p><p>　　3、查閱至少5篇參考文獻。按《武漢理工大學課程設計工作規(guī)范》要求撰寫設計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應符合繪圖規(guī)范。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　2013.12.9做課設具體實施安排和課設報告格式要求說

4、明。</p><p>　　2013.12.10-2013.12.14學習Rsoft軟件，查閱相關資料，復習所設計內(nèi)容的基本理論知識。</p><p>　　2013.12.15-2013.12.19對單環(huán)微環(huán)諧振濾波器進行設計仿真工作，完成課設報告的撰寫。</p><p>　　2013.12.20 提交課程設計報告，進行答辯。</p><p>

5、　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要…………………………………………………………………………………………1</p&g

6、t;<p>　　Abstract………………………………………………………………………………………2</p><p>　　一、緒論………………………………………………………………………………………3</p><p>　　二、微環(huán)諧振濾波器…………………………………………………………………………4</p><p>　　2.1 微環(huán)諧振腔簡介…………………

7、…………………………………………………… 4</p><p>　　2.2 微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)………………………………………………………… 4</p><p>　　2.3 微環(huán)諧振濾波器的工作原理………………………………………………………… 5</p><p>　　2.4 微環(huán)諧振濾波器傳輸光譜的性能參數(shù)……………………………………………… 6</p>

8、;<p>　　2.5 單環(huán)諧振濾波器傳輸特性的分析…………………………………………………… 7</p><p>　　2.6 單環(huán)諧振濾波器傳遞函數(shù)的推導…………………………………………………… 7</p><p>　　三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析…………………………………………9</p><p>　　3.1 Rsoft軟件介紹 ……………

9、…………………………………………………………9</p><p>　　3.2 模擬環(huán)境的基本設置 …………………………………………………………………9</p><p>　　3.3 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真…………………………………………………………13</p><p>　　3.4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的參數(shù)掃描仿真………………………………………………17</p&g

10、t;<p>　　四、心得體會 ………………………………………………………………………………19</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………………20</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　網(wǎng)絡時代的迅速發(fā)展推動通信技術的飛速進步，密集波分復用（DWDM）技術

11、解決了管線通信主干網(wǎng)絡的大容量問題。現(xiàn)代的光通信向著更高容量、更高速發(fā)展。集成光學將光通信器件模塊化、小型化且大規(guī)模集成光路是未來光通信的發(fā)展方向之一。近些年來光學微環(huán)以大規(guī)模集成光路的重要結(jié)構(gòu)成為了人們的關注焦點。它功能多，結(jié)構(gòu)緊湊，有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p>　　研究微環(huán)諧振腔最典型的方法是在麥克斯韋電磁方程組基礎上發(fā)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(xiàn)。但是

12、在研究多環(huán)系統(tǒng)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(huán)微環(huán)諧振腔的濾波特性進行分析。</p><p>　　關鍵詞：波導光學；信號流程圖；微環(huán)諧振腔；光濾波器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development

13、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 rap

14、idly.The devices in integrated optics will be modularized. The 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

15、, people focus on the implement o</p><p>　　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

16、 expressed by experiment.However,studying multi-ring system with the approach more complicated,so it is not fit for practical application In this paper,a simple,intuitive graphic method called signal flow graph method to

17、 analyze the output characteristics of micro-ring resonator.</p><p>　　Key word：Waveguide optics;signal；flow graph；micro-ring resonator</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　上個世紀

18、末全球的信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，隨著下一代網(wǎng)絡的開發(fā)，網(wǎng)絡將發(fā)展到第三個世界，及服務層面上的IP世界、傳遞層面上的光的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(tǒng)帶來了壓力和動力。高速、高效、大容量的寬帶通信網(wǎng)絡是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。光是面前人們發(fā)現(xiàn)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(fā)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(wǎng)

19、絡，借助光纖通信【1】實現(xiàn)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(zhuǎn)為光信號，這里的光—電—光轉(zhuǎn)換過程極大地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(fā)揮光層面上的優(yōu)勢。因此在如今信息爆炸的網(wǎng)絡時代，全光網(wǎng)絡呼之欲出，它不僅消除了光—電—光轉(zhuǎn)換所需要的時間，而且能打破電傳輸時的瓶頸，使得光網(wǎng)絡在通信網(wǎng)絡的發(fā)展上有著更大的潛力，是當今通信系統(tǒng)的研究方向之一

20、。</p><p>　　集成光學對全光網(wǎng)絡的發(fā)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(xiàn)光學系統(tǒng)的微型化、集成化和規(guī)模化。而本論文所研究單環(huán)上下載型微環(huán)諧振濾波器的特性，可以極大地方便光通信的器件的使用，必將推動全光網(wǎng)絡的應用。</p><p>　　本章研究微環(huán)諧振器的基本結(jié)

21、構(gòu)，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。</p><p><b>　　二、微環(huán)諧振濾波器</b></p><p>　　2.1 微環(huán)諧振腔簡介</p><p>　　微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)為如圖2-1所示的單環(huán)結(jié)構(gòu)，其他復雜結(jié)構(gòu)由多個單環(huán)結(jié)構(gòu)并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成。僅由一條直波導和微環(huán)組成的微環(huán)諧振腔為全通型微環(huán)諧振腔（如圖2-1（a

22、））。其特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，便于分析，它主要用于延遲線、緩存器、調(diào)制器等。全通型微環(huán)諧振腔加載一個上/下載波導便成為了上/下載型微環(huán)諧振腔，其功能更加強大，運用更加廣泛。當前對微環(huán)諧振腔的研究普遍為上/下載型。</p><p>　　(a) 全通型微環(huán)諧振腔； (b) 上下載型微環(huán)諧振腔</p><p>　　圖2-1 微環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意圖</p>

23、<p>　　2.2 微環(huán)諧振濾波器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　單環(huán)諧振器是微環(huán)諧振濾波器中最基本的結(jié)構(gòu),方向耦合器是構(gòu)成微環(huán)濾波器的基本單元,單環(huán)諧振濾波器結(jié)構(gòu)如圖2-2所示,它由兩個參數(shù)相同的方向耦合器和一個微環(huán)波導構(gòu)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(huán)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

24、波功能。用作光濾波器的單環(huán)微環(huán)諧振器的基本構(gòu)成包括，一個光微環(huán)以及分別與微環(huán)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(huán)微環(huán)諧振器的光濾波器常用結(jié)構(gòu)，其中采用了定向耦合器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩根引導波導與微環(huán)間的耦合。在圖2-2中，要求光波導為單模波導。定義和分別為衡量兩引導波導與微環(huán)間光波耦合量的出入環(huán)光耦合系數(shù)，單位功率光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 。<

25、/p><p>　　圖 2-2 單微環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3 微環(huán)諧振濾波器的工作原理</p><p>　　根據(jù)上圖2-2中所示，由光波導耦合模理論可得:</p><p>　　（1） （2）</p><p

26、>　　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幅, k 為方向耦合器的功率耦合比。設微環(huán)波導的周長是l ,則有</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中,為光波經(jīng)過l/ 2 彎曲波導的相位延遲,為微環(huán)波導的彎曲損耗系數(shù)。經(jīng)第二個方向耦合器的耦合,得到</p><p><b>　

27、?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　和分別是微環(huán)共振濾波器的下行端(drop) 和上行端(throughput) 的濾波輸出振幅。聯(lián)立以上六個公式求得微環(huán)諧振濾波器的歸一化功率輸出:</p><p>

28、;<b>　　(7)</b></p><p><b>　　= （8）</b></p><p>　　分別表示波導的彎曲損耗和歸一化相位變化。微環(huán)共振濾波器的濾波效果主要由功率耦合比k 和微環(huán)波導的彎曲損耗決定。</p><p>　　2.4 微環(huán)諧振濾波器傳輸光譜的性能參數(shù)</p><p>　　為

29、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(huán)諧振濾波器傳輸光譜性能的五個基本的參數(shù)：</p><p>　?。?）-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(huán)諧振腔，-3dB帶寬主要由耦合系數(shù)和光程差來決定。</p><p>　　（2）自由光譜范圍（FSR）：指光譜中

30、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數(shù)。</p><p>　?。?）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：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　?。?）消光比（Extinction ratio）：指光學濾波器在所有偏振

31、狀態(tài)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：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　?。?）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</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　2.5單環(huán)型諧振濾波器傳輸特性的分析&

32、lt;/p><p>　　按照上一節(jié)的闡述，我們可以把單環(huán)上/下載型諧振濾波器結(jié)構(gòu)看成如圖2-2所示，由兩個2×2的耦合器和環(huán)形反饋腔構(gòu)成。其信號流程圖則可以表示成為圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 單環(huán)上下載諧振濾波器的信號流程圖</p><p>　　其中，為輸入端結(jié)點，和分別表示輸出端結(jié)點和下載端結(jié)點。第i個耦合器的耦合系數(shù)用表示，而每個耦合器的

33、插入損耗都可以用γ來表示，那么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來表示。光沿著環(huán)形反饋腔（閉合路徑）傳遞的增益與全通型單環(huán)諧振腔相同。同樣，其自由譜寬也可以由（11）式來表示。</p><p>　　2.6單環(huán)微環(huán)諧振濾波器傳遞函數(shù)的推導</p><p>　　平行信道單環(huán)上/下載型諧振濾波器的輸出端和下載端相對于輸入端的傳遞函數(shù)可以由梅森公式推導得出。</p>

34、;<p>　?。ˋ）從輸入端到輸出端的傳遞函數(shù)：根據(jù)圖2-5可知，其中包含一個獨立的閉環(huán)，可以表示為：</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　對于輸出端來說，從結(jié)點1到結(jié)點2的向前路徑，以及和它互不接觸的閉環(huán)的圖行列式可以表示為：</p><p><b>　　(13)</b><

35、;/p><p><b>　　(14)</b></p><p>　　按照（10）式，依梅森公式我們可得信號流程圖的圖行列式：</p><p><b>　　（15）</b></p><p>　　將（13）～（15）式代入（11），則圖2-5所示的輸出端的傳遞函數(shù)可以表示為</p><p&

36、gt;<b>　　（16）</b></p><p>　?。˙）從輸入端到下載端的傳遞函數(shù)：對于下載端來說，僅有一個向前路徑，而且與（13）式所給出的僅有的一個閉環(huán)相接觸。因此，我們可以得出：</p><p><b>　　（17）</b></p><p>　　三、單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性仿真與分析</p>

37、<p>　　3.1 Rsoft軟件介紹</p><p>　　RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。其中包含了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。</p><p>　　下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運行Beamprop5.1.8安

38、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(xiàn)如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結(jié)構(gòu)和下一步計算的前提。</p><p>　　圖3-1 CAD界面</p><p>　　3.2 模擬環(huán)境的基本設置</p><p>　　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，波導的一些基本

39、特性參數(shù)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(huán)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(shù)設置如圖3-2所示.</p><p>　　圖3-2 參數(shù)設置界面</p><p>　　在設置好全局參數(shù)之后接下來就需要對Time

40、 Monitor的參數(shù)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</p><p>　　圖3-3 Time Monitor設置界面</p><p>　　在Time Monitor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S

41、patialOutput項也選擇Power，在右側(cè)的Frequency Analysis項選擇DFT，最后點擊OK。</p><p>　　設置好參數(shù)之后即可開始進行單環(huán)微環(huán)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。</p><p>　　圖3-4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器光路圖</p><p>　　設置光源的特性和觀察的路徑。首先設置路徑，單擊左側(cè)工具欄中

42、的”Edit Pathways”按鈕。單擊后左側(cè)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。</p><p>　　圖3-5 設置路徑跟波導一致</p><p>　　最后單擊左側(cè)工具欄中的”Edit Launch Fie

43、ld”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。</p><p>　　圖3-6 Edit Launch Field設置界面</p><p>　　設置完成點擊”O(jiān)K”。至此，模擬環(huán)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(xiàn)空格和中文</p><p>

44、　　3.3單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的仿真</p><p>　　為了驗證波導參數(shù)的正確性，我們需要查看波導橫截面結(jié)構(gòu)。點擊左側(cè)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”O(jiān)K”，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。<

45、;/p><p>　　圖3-7 仿真參數(shù)設置界面</p><p>　　圖3-8波導橫截面的折射率分布</p><p>　　圖3-9 波導橫截面的折射率曲線</p><p>　　從折射率曲線我們可以看到有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(huán)形波導所在的截面的折射率是3.5，而背景折射率是1

46、，所以才會顯示這種圖形。</p><p>　　最后便是波導的仿真操作了，點擊工作截面左側(cè)的Perform Simulation，在出現(xiàn)的設置界面中設置好各項參數(shù)，如圖3-10所示，設置好參數(shù)之后在Output Prefix中輸入保存的文件名，最后點擊OK就能出現(xiàn)仿真的顯示界面，單環(huán)微環(huán)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。</p><p>　　圖3-10 Perfo

47、rm Simulation設置界面</p><p>　　圖3-11 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器仿真</p><p>　　圖3-12 頻譜分析</p><p>　　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(jīng)過微環(huán)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(jié)果表明，該濾波

48、器微環(huán)與波導發(fā)生了耦合并產(chǎn)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(shù)值相同，該單環(huán)微環(huán)諧振濾波器確有濾波作用。</p><p>　　3.4 單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的參數(shù)掃描仿真</p><p>　　在上一步的仿真中只是取一種波導參數(shù)的結(jié)果，如果需要改變波導參數(shù)，則需要重新作仿真，所以接下來需要進行的是參數(shù)掃描仿真，點擊軟件工作界面的Perform Parameter Scan進入

49、參數(shù)掃描仿真的界面，如圖3-13所示。</p><p>　　圖3-13 參數(shù)掃描仿真設置界面</p><p>　　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，掃描間隔以及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

50、后掃描完成后的曲線圖如圖3-14中所示。</p><p>　　圖3-14 delta變量的參數(shù)掃描結(jié)果</p><p>　　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(jié)果可以看到，在本次掃描的精度內(nèi)，delta（折射率之差）在1.7左右時，單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波效果最好。</p><p><b>　　5.心得體會<

51、/b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧起此次課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的

52、，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固……通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。</p><p>　　通過本次課程設計，單環(huán)微環(huán)諧振濾波器的濾波特性，并且初步學會用Rsoft進行仿真。課程設計也讓我學會了要充分的查找資料，利用

53、身邊的資源以及學會冷靜的面對課程設計中出現(xiàn)的問題，從而去有效地解決問題。課程設計也是同學們之間相互交流和學習的好機會，通過與同學的交流可以了解到別人的好的想法及思路，這將給我們的設計帶來極大的幫助。課程設計是很有意義的，更重要的是如何把自己平時所學的東西應用到實際中。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張自嘉．光纖光柵理論基礎與

54、傳感技術．北京：科學出版社，2009.8 </p><p>　　[2] 趙勇. 光纖光柵及其傳感技術. 北京：國防工業(yè)出版社 ，2007.1</p><p>　　[3] 饒云江、王義平、朱濤.光纖光柵原理及應用  北京：科學出版社 ，2006.8.</p><p>　　[4] 馬春生,劉式墉.光波導模式理論[M].長春：吉林大