微环共振器的设计.docx

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微环共振器的设计

2.4.3增加半径差而不改变两波导间距............................................................9

2.4.4三种模型对比分析验证猜想.................................................................11

第一章引言

1.1概述

20世纪60年代初期，红宝石激光器、氦氖激光器的出现揭开了光通信发展的序幕。

其后，随着激光技术的不断发展，光学同其它学科领域不断渗透和融合，形成了许多新的分支学科或边缘学科。

七十年代，在微电子学和激光技术相结合的基础上，集成光学作为一门新的技术应运而生．其主要目的是将传统的大型光学系统小型化直至微型化，但是，此技术并不是简单地将组成光学系统的各个元器件按比例微缩，而常常要在高新物理学知识和制造技术的基础上对这些元器件的结构上进行根本的改变，并最终能获得具有多功能的单片集成光路。

随着光纤通信技术的发展，光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本，其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化，与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件，例如能同时实现光学滤波器、延迟线、缓存器和各种全光信号处理的基本单元，通过大规模集成该单元在一个衬底上实现功能强大的光子学“片上系统”。

微型环状共振器（简称微环）满足了上述两个要求，其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成，同时能实现包括滤波器、延迟线、缓存器、激光器、路由器、波长复用/解复用器、光开关、调制器、波长转换器、码型转换、逻辑门和传感器等功能单元，功能非常强大，因此微环己成为光纤通信和集成光学领域的研究热点之一

1.2微腔共振器的实验进展及其应用

微腔共振器的研究不但从大尺寸（几百微米）向小尺寸（几个微米）发展，而且微腔共振器的形状也不断交化着。

在发展过程中经历了微柱、微球和微盘等阶段，现在研究更多的是微环共振器，本论文所侧重研究的也是微环共振器。

随着研究的不断进展，微盘共振器也出现了，其制作材料主要为砷化镓（GaAs）。

锥形波导和微盘共振器之间光场的传输与耦合情况基本上和上面介绍的关于微球共振器的情况类似。

最近研究的热点是微环共振器，同时也是本文探讨的内容。

它的加工工艺和上面介绍的微盘共振器的情况类似，但是它的应用更为灵活、便捷，例如它可以与波导相结合构成分插滤被器、光开关等功能元件。

这些功能元件在光通信和信息处理等领域有着巨大的市场，所以潜在的市场应用反过来又刺激这方面的实验研究。

两种最常见的关于微环共振器与线波导组合，分别可以应用于分插滤波器和光开关。

光场在微环共振器中经过不断的反馈振荡，那么微环共振频率处的光场就会相干增强。

以上所介绍的都是单环（球、盘）的情况，在实际应用中还有多种结构。

比如多个微环共振器进行一维级联，就可以形成一种新型的光被导，称为耦合谐振光波导（CROW）。

1.3微环共振器的工作原理

自从1969年Marcatili提出光学微环共振器的结构和概念以来,由于它具有诸多方面的优点如：

微环Q值很高,损耗小,尺寸小,利于集成等而倍受关注。

通过多年的研究,先后设计出各种类型的微环共振结构。

如单波导单环结构、单波导双环、双波导单环耦合结构及各种级联结构。

各种结构的滤波特性、开关特性和缓冲特性方面都得到深入的研究。

已经利用微环共振器制出了半导体激光器、光波导滤波器和光存储器等器件。

它们成为高密度光集成元件的选择之一,在通信领域有很好的应用前景,这对全光通信具有重要意义。

微型环状共振器其是通过波导定向耦合器将环形波导与输入输出波导连接而成，如图1.3所示。

设环形波导谐振腔的谐振频率为f2，则一列频率为f1、f2、f3„的信号波由通道1进入，与环形谐振腔发生耦合后，只有频率为儿的信号波能在环形谐振腔内达到谐振状态，在通道2的下载口输出，实现对儿信号的下载。

这就是共振腔的选频作用

1.3微型环状共振器的示意图

1.4OptiFDTD软件介绍

OptiFDTD的运算方法是基于有限差分（FDTD）法。

已经建立的时域有限差分法作为一个强大的工程工具集成和衍射光学器件模拟。

这是由于其独特的组合的特性,比如能够模型光传播、散射和衍射、反射和极化效应。

它还可以模型材料各向异性和分散没有任何前设的领域行为如慢变振幅近似。

该方法允许有效的和强大的仿真和分析设备通过非常细亚微米结构细节。

一次微米尺度意味着高度光约束和相应地,大折射率差的材料（主要是半导体）用于典型的装置设计。

第二章使用OptiFDTD设计微型环状共振器

2.1设计微环共振器的Layout图

2.1.1初始化属性参数

在软件说明书的指导下首先设置波导属性参数waveguideproperties，然后设置Proflies（宽度：

0.5；厚度：

0.5；材料：

waveguide2.0）；2DWaferProperties设置如下：

Material：

Air；3DWaferProperties设置如下：

Claddingthickness:

2.5μm；Substratethickness：

0μm。

设置完成后出现Layout设计界面。

2.1.2设计微型环状共振器的Layout图

1.设置图纸大小，长度为10μm，宽度为8μm；

2.依次选择工具栏中的直线波导和环形波导在方格纸中画出如下图所示图形；

图2-1初步绘制直线波导和环形波导

3.其中直线波导和环形波导的详细和精确参数如下：

直线波导（0，-2）（8，-2）

环型波导（4，0.5）半径：

1.8，直线波导与环形波导的参数设置：

宽度和高度分别是0.5，1.

2.1.3设置激励的输入光平面：

InputPlane

1.从菜单Draw中选择VerticalInputPlane二这里需要注意的是，这个VerticalPlane是指光源从X-Y平面输入进来。

在3D构形中，不允许存在多个输入光平面。

2.双击该平面（在Layout图中为一垂直的红色的线段），可对该输入平面的属性进行编辑设定：

设置波长为1.4μm。

然后继续编辑3DTransverse分栏：

幅度（1.0V/m）；

然后点击FindModes，弹出对话框，点击CalculateMode，出现GlobalData:

ADImethod对话框。

在Setting中，BoundaryConditions选择TBC。

最后点击运算（CalculateMode），则会自动对入射平面的模式进行分析：

图2-5输入光平面设置完毕

稍候，运行完毕后会有运行结束的信息，如上图所示，并找到一个模式如图所示。

然后关闭该窗口，ok确认以后，就设定完毕输入光平面。

运行完毕后，我们可将设计好的layout保存为***.fdt文件。

除此之外，我们还可以观察设计的Layout的2D和3D的折射率分布图：

图2-5Layout的3D折射率分布图

2.1.4添加观察点（ObservationPoint）

观察点可以用来观察频域和时域上，在运行过程中，该店的采集响应，透射率，归一化功率等。

现在我们在（1.，-2）和（6.5,-2）位置添加两个观察点，所要采集的数据为Ex,Ey两个电场分量：

图2-6最终的Layout图

2.2运行该微环共振器

1.在Simulation菜单中选择3DSimulationParameters，我选择了运行1500次，多次的试验告诉我1500能很好的运行出效果图并节省时间。

在选择离散傅立叶变换的选项为Ey。

2.3微环共振器的数据结果分析

2.3.1观察分析Ey（DFT）图

图2-8Ey（DFT）图

2.3.2对设定的观察点的数据进行采集和分析

察看前面设定的两个观察点处的数据，我们调出DFT频域图

图2-10DFT频域上Ey随波长变化图图2-11两个观察点的能量损耗比

2.4增加一个内微环对微环共振器的影响

2.4.1不改变两光波导间距再增加一个内微环共振器

1.基本步骤是画出内环并设置参数：

圆心（4，0.5）半径1.2其他与外圆一样，此时，Layout图为：

图2-12改变两光波导间距之后的Layout图

2.初始参数设置完成以后，出现下图

图2-13输入光平面设置完成

3.运行完毕，出现的Ey（DFT）图如2-13所示：

图2-14改变两光波导间距之后的Ey（DFT）图

4.DFT频域图

图2-15DFT频域上的Ey随着波长的变化图2-16观察点能量比值

2.4.2两种模型对比并初步得出结论

对比图2-10，2-11与图2-15，2-16，我们可以发现，增加一个内环波导，Ey的波动越明显，能量比值稍有增加，这说明耦合效率越好，即增加内环波导有利于耦合。

我猜测增加内环相当于增加半径差，于是我继续设计了另一个模型来分析对比。

2.4.3增加半径差而不改变两波导间距

1.基本步骤是设置参数内环参数并删除外环：

圆心（4，0.5）半径1.2改变外径宽度为1.65，此时，Layout图为

图2-17设置半径差数值为1.65

2.初始参数设置完成以后，运行完毕，出现的Ey（DFT）图如2-13所示：

图2-18改变两光波导间距之后的Ey（DFT）图

3.DFT频域图

图2-19DFT频域上的Ey随着波长的变化图2-20观察点能量比值

图2-21两观察点能量曲线

2.4.3三种模型对比分析验证猜想

模型三是为了验证我的猜想即增加内环相当于增加半径差，分析图对比图2-10，2-11与图2-15，2-16与图2-20，2-21，可得增加半径差（保持两波导间距不变）同样能增加耦合效率，这正验证了我的猜想。

增设一个内环与增加半径差一样可以使欠耦合的共振器收集更多的能量从而更有效的耦合共振。

结束语

在课程设计过程中，我通过查阅相关文献，了解到微环共振器的基本原理和发展的历史。

然后在有所了解的基础上，在软件说明书的帮助下系统学习了OptiFDTD软件，在使用参考一些文献记录下，通过仿真软件OptiFDTD设计出了微环共振器的模型。

通过增加一个内环波导进行对比实验，可以发现当增加后，Ey分量的波动越明显，能量传播效率提高，即耦合效率提高。

在这次试验中我改了很多参数，屡次的失败下我猜想微环共振器的耦合效率还与介质的折射率、环形波导的半径等因素有关，但由于能力与时间所限，本次实验没有做出系统而广泛的研究。

本次实验，我从看到课程设计任务书时的无措到通过说明书的指导设计出第一个Layout图，再到得到实验结果直至最终完成实验，这和老师的悉心指导和与同学的热心帮助是密不可分的，在此一并向他们表示感谢！

参考文献

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