基于微环谐振器的上/下话路滤波器的研究

摘要

随着光纤通信技术的快速发展，通信容量得到了很大地提高。但是光通信网络一方面需要不断提高其工作性能，另一方面也要降低其运营成本，因此对光器件的要求也越来越高。降低网络成本的方案之一就是降低网络中器件的成本，降低器件成本的关键技术就是波导器件的集成化，微型化和规模化。与此同时，未来全光网络也非常需要一种能够实现多种功能的新型光波导器件。在波分复用系统中，具有波长选择功能的光上下话路滤波器是一种非常关键的器件，它是降低网络成本、推广光纤到户的突破口。由于微环谐振器具有功能强大，结构非常紧凑，特别适合大规模单片集成的特点，因此它是光学集成中非常具有发展潜力的元器件之一。
　　 本文所设计的基于微环谐振器的上下话路滤波器结构紧凑，性能优良并且非常适合光子集成的发展要求。本文的主要工作如下:
　　 (1)微环理论基础的研究。从麦克斯韦方程出发推导出光波导理论，对微环和直波导之间的耦合区进行详细地分析，推导出全通型微环和上下载型微环的参量模型，得到它们的光强传递函数，分析了衡量滤波器性能的性能参数。
　　 (2)基于单微环谐振器的上下话路滤波器的设计。首先是对其工作原理进行了详细的分析，通过分析对称耦合和非称耦合对滤波器性能影响，发现对称耦合时滤波器的性能更好，并且分析了损耗对滤波器性能的影响，分析波导单模传输时，波导的宽度和高度的截止条件，对波导不同的导模下的有效折射率进行数值求解，同时也对耦合系数与耦合间距的关系进行数值计算，通过参数优化得到微环模型的结构参数，最后实现了中心频率为1.55μm，自由光谱范围为140nm，插入损耗小于0.5dB，半波全宽为13nm的单环谐振滤波器。
　　 (3)设计了一个双微环并联谐振滤波器。介绍了并联双环滤波器的工作原理，详细推导了双环并联滤波器的光强传递函数，按照单微环的设计方法对双微环并联滤波器进行了设计，通过优化得到了模型的结构参数，用optiFDTD软件对双环并联谐振滤波器进行了数值模拟，实现了滤波器的所有性能指标都达到了预期目标并克服单个微环存在洛伦兹响应的现象，并且对两微环之间的距离对微环谐振滤波器性能的影响进行了数值模拟和分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 上下话路滤波器

1．2．1 上下话路滤波器的种类

1．2．2 基于微环谐振器的上下话路滤波器的研究进展

1．2．3 基于微环谐振器的上下话路滤波器的研究意义

1．3 微环谐振器的应用领域

1．4 本文的主要内容

第二章 微环的理论基础

2．1 引言

2．2 微环的结构与耦合方式

2．2．1 微环的结构

2．2．2 微环的耦合方式

2．3 光波导理论

2．4 微环耦合区的物理分析

2．5 微环的参量模型

2．5．1 全通型微环参量模型

2．5．2 上下载型微环参量模型

2．5．3 表征参数

2．6 本章小结

第三章 时域有限差分法(FDTD)

3．1 引言

3．2 由麦克斯韦方程到FDTD方程

3．3 仿真设置

3．3．1 解的稳定性

3．3．2 吸收边界条件

3．3．3 激励源的设置

3．4 时域有限差分法(FDTD)仿真体系

3．5 本章小结

第四章 单环谐振滤波器的设计

4．1 环型谐振器的工作原理

4．2 光强传递函数

4．3 特性分析

4．3．1 耦合系数对滤波器性能影响

4．3．2 损耗对滤波器性能的影响

4．4 单环谐振滤波器的设计

4．4．1 波导类型与尺寸

4．4．2 微环半径

4．4．3 耦合系数与耦合间距的计算

4．4．4 单环谐振滤波器的结构参数

4．5 仿真结果

4．5．1 TE模式仿真结果

4．5．2 TM模式仿真结果

4．5．3 性能对比

4．6 光场在微环中的传输与谐振

4．7 本章小结

第五章 双环并联谐振滤波器的设计

5．1 双环并联谐振滤波器的工作原理

5．2 结构参数

5．3 仿真结果与分析

5．3．1 仿真结果

5．3．2 L对滤波器性能的影响

5．4 性能对比

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间取得的研究成果