单环上下载型微环谐振滤波器传输特性的分析
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本科学生毕业论文2xxx 年x 月 x 日 论文题目:单环上下载型微环谐振滤波器传输特性的分析 学 院:物理科学与技术学院 年 级:XXXX 专 业:应用物理学 姓 名:XXXX 学 号:XXXXX 指导教师: XXXXXX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教学方程来实现。
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),对微环谐振腔的传输特性进行分析。
本论文的主要工作时间里在基于传输矩阵法的通用参量模型基础上。
首先,以全通形单环谐振腔为例介绍了信号流程图法(SFG)在光信号系统中推导功率传递函数的步骤,并分析了系统的谐振条件。
其次,在给出的传递函数和相关特性公式基础上,分析了出/入环光耦合系数与通带带宽和通带消光比间的关系,指出了它们之间、以及与自由谱范围间以及与自由谱范围间存在的相互约束;分析并给出了单环光滤波器的通带带宽比例,带宽比例值不依赖于任何器件结构参数,是限制单环微谐振器作为实用光滤波器的主要因素;分析了存在于微环中光的损耗对单环光滤波器输出的影响,小的光损耗即会导致滤波响应的巨大衰减,大的光损耗则更是会导致带宽的展宽和带宽比例值的增大。
最后,利用信号流程图法推导单环上下型谐振滤波器的系统传递函数,对单环上下型微环谐振滤波器的系统传递函数进行了推导,分析单环上下型微环谐振滤波器的传输特性。
关键词波导光学;信号流程图;微环谐振腔;光滤波器;单环上下型;AbstractWith the rapid development of communication technology era,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 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 recent 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 either in space or in time can be expressed by equations.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 resonator.The main work of this paper is founded on the model of general parameters based on transfer matrix.Firstly,using the all-pass single micro-ring resonator as an example,the approach of the signal flow graph method(SFG) in optical signal system are introduced,and the condition of resonance of the system is analyzed.Secondly,The influence of the into-/out-of-ring coupling coefficients on the bandwidth and extinction ratio of the spectral band was investigated and the design restriction among them and free-soectral range was discussed.The analytical results show the bandwidth ratio of the spectral passband is almost independent of any structure parameters of the single-ring microresonator when the into-/out-of-ring coupling coefficients are very small.The calculated values of bandwidth ratios indicate that the bandwidth ratio is the key issue which limits the usage of the single-ring microresonator as a practical optical filter,The influence of optical loss is also analyzed.Low optical loss will cause sharp attenuation of the filtering response and severe optical loss also can widen the bandwidth and increase the bandwidth ratio.Key wordWaveguide optics;signal;flow graph;micro-ring resonator;optical filter;the single wreath top and bottom type;目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 光微环谐振器概述 (1)1.3微环谐振腔的基本结构和主要研究方法 (2)1.4本论文的研究内容 (4)第2章信号流程图理论及其应用 (5)2.1 引言 (5)2.2信号流程图理论简介 (5)2.3信号流程图的组成 (5)2.4梅森增益公式 (7)2.5信号流程图的基本性质 (7)2.6本章小结 (8)第3章微环谐振滤波器传输特性的分析 (9)3.1引言 (9)3.2微环谐振滤波器传输光谱的性能参数 (9)3.3单环上下载型谐振滤波器传输特性的分 (10)3.3.1传递函数的推导 (10)3.4 单环光滤波器的特性分析 (11)3.5 本章小结 (13)结论 (14)参考文献 (15)致谢 (18)第一章绪论1.1 引言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【2】,其主要目的是在一个平面衬底上将各种功能的光器件集成起来,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。
1.2 光微环谐振器概述全球化的网络信息时代的进一步发展,要求传输系统有更高的带宽和更快的处理速度,因此利用大规模集成光路(VLSI一PCs)直接在光频上对信号处理体现了更大的优势。
微环结构作为平面光路(PLC)中一种结构简单紧凑,功能多样的基本单元,有着无法比拟的优点【3】,在VLSI一PCs中被看好【4】,并成为了组成基本模块的重要器件,也有望成为构建全光通信的重要模块【5】。
微环谐振器结构有着许多优点,让它在VLSI一PCs占据了重要的地位【6】。
微环谐振器体积小,结构简单,利用高折射率差的材料不仅能进一步减小尺寸,而且方便大规模集成。