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1、武汉理工大学光电子技术课程设计说明书课程设计任务书题 目: 单环微环谐振滤波器的滤波特性分析 初始条件：计算机、Rsoft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Rsoft软件。（2）设计单环微环谐振滤波器（3）对单环微环谐振滤波的滤波特性进行分析并使用Rsoft软件进行仿真。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：2013.12.9做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。2013.12.10-2013.12.14学
2、习Rsoft软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。2013.12.15-2013.12.19对单环微环谐振滤波器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2013.12.20 提交课程设计报告，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19武汉理工大学光电子技术课程设计目 录摘 要1ABSTRACT2一、绪论3二、微环谐振滤波器42.1 微环谐振腔简介 42.2 微环谐振滤波器的基本结构 42.3 微环谐振滤波器的工作原理 52.4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数 62.5 单环谐振滤波器传输特性的分析 72.6 单环谐振滤波器传递函数的推导 7三、单
3、环微环谐振滤波器的滤波特性仿真与分析93.1 Rsoft软件介绍 93.2 模拟环境的基本设置 93.3 单环微环谐振滤波器的仿真133.4 单环微环谐振滤波器的参数扫描仿真17四、心得体会 19参考文献 20摘 要网络时代的迅速发展推动通信技术的飞速进步，密集波分复用（DWDM）技术解决了管线通信主干网络的大容量问题。现代的光通信向着更高容量、更高速发展。集成光学将光通信器件模块化、小型化且大规模集成光路是未来光通信的发展方向之一。近些年来光学微环以大规模集成光路的重要结构成为了人们的关注焦点。它功能多，结构紧凑，有着很大的发展潜力。研究微环谐振腔最典型的方法是在麦克斯韦电磁方程组基础上发展
4、起来的耦合模理论，这种方法无论是在空间还是在时间上都可以用实验的方法来实现。但是在研究多环系统时显得比较繁琐，不利于实际应用。本文中运用了一种简便、直观的图示法信号流程图法（SFG），对单环微环谐振腔的滤波特性进行分析。关键词：波导光学；信号流程图；微环谐振腔；光滤波器AbstractWith the rapid development of communication technologies, Dense Wave Division Multiplexing(DWDM) is being utilized to construct a high-capacity optical fiber
5、 communication. Modern optical communications become higher capacity, and develop more rapidly.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 re
6、cent 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 development.The typical researching approach to micro-ring resonator is the coupled mode theory which is based on Maxwell equations.The method ei
7、ther 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 application In this paper,a simple,intuitive graphic method called signal flow graph method to analyze the output characteristics of micro-ring
8、 resonator.Key word：Waveguide optics;signal；flow graph；micro-ring resonator一、绪论上个世纪末全球的信息产业飞速发展，随着下一代网络的开发，网络将发展到第三个世界，及服务层面上的IP世界、传递层面上的光的世界和接入面上的无线世界，在这种形势下，人们对信息量的要求日益增加，对信息传输系统带来了压力和动力。高速、高效、大容量的宽带通信网络是现代通信网络发展的趋势。光是面前人们发现最理想的信息载体，不仅速度快，而且具有很高的带宽，正满足了如今的发展趋势。但是由于目前光信号处理的困难和复杂性，一般的通信仍然只是在大容量的干线上采
9、用光网络，借助光纤通信【1】实现大容量、超远距离的信号传输，而要对信号进行处理时，都必须完成光信号到电信号，处理完毕后再将电信号转为光信号，这里的光电光转换过程极大地限制了信号的传输速度，而且很大程度上依赖与电信号的处理速度，无法完全发挥光层面上的优势。因此在如今信息爆炸的网络时代，全光网络呼之欲出，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，是当今通信系统的研究方向之一。集成光学对全光网络的发展起到了很重要的作用、集成光学的概念最早是由美国Bell试验室的Milier在1969年提出，其主要目的是在一个平面衬底上将各种功能的光器件
10、集成起来，从而实现光学系统的微型化、集成化和规模化。而本论文所研究单环上下载型微环谐振滤波器的特性，可以极大地方便光通信的器件的使用，必将推动全光网络的应用。本章研究微环谐振器的基本结构，简要介绍了他的概念和应用，其中重点介绍了作为光学滤波器的应用。二、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
11、，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,单环谐振滤波器结构如图2-2所示,它由两个参数相同的方向耦合器和一个微环波导构成。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。用作光滤波器的单环微环谐振器的基本构成包括，一个光微环以及分别与微环相耦合的用于
12、光波输入与输出的光引导波导。图2-2所示是采用单环微环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微环间的耦合。在图2-2中，要求光波导为单模波导。定义和分别为衡量两引导波导与微环间光波耦合量的出入环光耦合系数，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）分别为和 。图 2-2 单微环滤波器结构2.3 微环谐振滤波器的工作原理根据上图2-2中所示，由光波导耦合模理论可得: （1） （2）式中,、 为方向耦合器的输入光复振幅,、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
13、）式中,为光波经过l/ 2 弯曲波导的相位延迟,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）和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） 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。2.4 微环谐振滤波器传输光谱的性能参数为便于我们下一步的研究分析，在这里我们介绍一下表述微环谐振滤波器传输光谱性能的五个基本的参数：（1）-3dB带宽或者半高全宽（FWHM）：即谱线功率相对于峰值下降3dB的时候，谱线对应的两波长之差或者透射率下降为最大值的一半时所对应的两波长之差。对
