基于微环谐振腔结构的可重构光分插复用器的设计与仿真研究

摘要

随着光通信技术的发展，新业务不断涌现，推动了光网络发生了根本的变化。密集波分复用光网络正向着具有光交换、光路由以及智能波长分配功能的全光网络方向发展。可重构光分插复用器(ROADM)作为全光网络中的关键节点器件，正在向波长可调谐、抑制串扰等更高性能的方向发展，逐渐成为光通信领域研究的热点。其基本组成单元微环谐振腔具有功能多、结构简单、尺寸小、灵敏度高及良好的波长选择性等优点，已被广泛用于设计制作光滤波器、光调制器、波分复用器和光开关等光通信器件。微环谐振腔为设计结构紧凑的高集成化可重构光分插复用器提供了一条新的途径，研究基于微环谐振腔结构的可重构光分插复用器对未来全光网络的发展具有重要意义。
　　为了突破传统结构的光分插复用器在光传送骨干网上不能良好的实现低串扰、低损耗、可调谐的特性，所以本文研究了一种改进的具有优良性能的基于微环谐振腔结构的可重构光分插复用器。主要研究内容和结果如下:
　　(1)在广泛阅读国内外文献的基础上，总结目前对可重构光分插复用器的研究存在调谐速度不够快、尺寸大、集成度不高的缺点，了解了真正实际应用的高速集成化的ROADM器件并不多。基于当今对微环谐振腔的研究成为了热点，本课题重点介绍了微环谐振腔结构的ROADM，对微环谐振腔的基本模型、工作原理、性能参数进行了分析，之后运用耦合模理论和传输矩阵法对微环谐振腔结构的ROADM的输出振幅、输出光谱、插入损耗、串扰进行了公式推导，并数值模拟分析，为后文的设计与优化奠定理论基础。
　　(2)针对传统矩形十字波导交叉处存在串扰和散射损耗的缺点，在十字交叉处引入了锥形多模干涉原理，设计了锥形多模干涉十字交叉波导。仿真结果表明该十字波导能实现尺寸小、低串扰、低损耗的特性。利用锥形十字波导代替传统矩形波导，构建锥形单环谐振结构的ROADM模型，并模拟了其输出光谱、串扰、输出功率，仿真结果表明与传统结构的相比，该结构的输出光谱对称、谐振峰平坦、串扰几乎没有、输出功率提高了16％。说明了采用线性锥形结构能很好的实现低损耗光传输。
　　(3)提出了一种具有优良特性的四通道型的光分插复用器，即基于线性锥形级联四环结构的ROADM。介绍和分析了四环结构的ROADM的工作原理和基本功能，并介绍了热光调谐原理。运用FDTD算法对传统四环结构与线性锥形四环结构的ROADM特性进行分析，仿真结果表明线性锥形四环结构的ROADM具有非谐振光弱、箱型波谱响应平坦、各信道的插入损耗低和串扰小等优点，控制好加热片的加热功率，该结构能实现动态的下载不同波长信号。因此对未来集成大规模的ROADM器件设计具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 论文研究背景及意义

1．3 研究现状

1．3．1 微环谐振腔的研究现状

1．3．2 可重构光分插复用器的研究现状

1．4 论文的主要内容和结构安排

1．4．1 论文的主要内容

1．4．2 论文的结构安排

2 基于微环谐振腔结构的ROADM特性分析

2．1 微环谐振腔的基本理论

2．1．1 微环-单波导结构耦合模型

2．1．2 微环-双波导结构耦合模型

2．1．3 微环谐振腔的重要参数

2．2 基于单环结构的ROADM特性分析

2．2．1 理论模型

2．2．2 微环波导与信道波导间的竖直耦合

2．2．3 特性分析

2．3 小结

3 新型低串扰十字交叉结构的微环谐振ROADM的优化设计

3．1 传统十字架波导概述

3．2 锥形十字波导设计与模拟

3．2．1 锥形多模干涉耦合器原理

3．2．2 锥形十字波导模拟与特性分析

3．3 锥形十字交叉结构的微环谐振ROADM特性分析

3．3．1 模型建立

3．3．2 竖直输出信道的串扰

3．3．3 竖直信道与水平信道的输出光谱

3．3．4 竖直信道的输出功率

3．4 小结

4 新型级联四环结构的ROADM的研究

4．1 级联四环结构的ROADM的概述

4．1．1 基本结构

4．1．2 基本功能

4．2 热光调谐原理

4．3 性能仿真与分析

4．3．1 各竖直信道与水平信道的输出光谱

4．3．2 插入损耗和串扰

4．3．3 热光效应对竖直信道的分波性能的影响

4．4 小结

5 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果