光通信波导微环谐振器的设计与仿真探究

光通信波导微环谐振器的设计与仿真探究

陈诗朝

【摘 要】文章结合实际案例对光通信波导微环谐振器的设计与仿真进行分析，设计具有分束和滤波功能的波导微环谐振器，通过时域有限差分法针对形成的模型进行全方位探究，对模型参数以及解耦股做出适当调整，进而了解器件具有的特征，并划分多个小组进行试验加以验证，进而确定实现现分束和滤波功能的参数，优化整体结构，使其作用在实际应用中得到充分发挥，为我国通信产业发展贡献力量。

【关键词】光通信；波导微环谐振器；设计与仿真

5G时代来临不仅改变了生活方式，同时也使人们对通信提出了更高的要求，尤其是数据传输规模以及时间。以光波作为介质进行信息传输的优势在于传输速度较快并且带宽更宽，同时传输过程中能耗较少。光波导对光通系统而言具有十分重要的作用，基于全反射加强对广播传输的控制，在既定范围内实现信息传输。以光波为主体而生成的微环谐振器因具有波导间耦合作用致使各器件对波长由较为严格的要求，而耦合作用所取得的效果主要取决于耦合间距。

1光通信概述

按光源特性，可分为激光通信和非激光通信;按传输介质，可分为大气激光通信和光纤通信;按传输波段，可分为可见光通信、红外光通信和紫外光通信。光是一种电磁波，其波长通常在1×103~5×10-3微米范围内。光的频率高，光通信的频带宽，通信容量大，抗电磁干扰能力强。激光通信是利用激光传输信息的，激光是一种方向性极强的相干光;非激光通信是利用普通光源(非激光)传输信息的，如灯光通信。大气激光通信不需要铺设线路，便于机动，但易受气候和外界影响，适用于地面近距离通信和通过卫星反射进行的全球通信。采用激光器作光源的光纤通信，不受外界干扰，保密性好，使用范围广，适用于陆上和越洋的远距离大容量的干线数字通信。采用发光管作光源的光纤通信属非激光通信，适用于近距离、中小容量的模拟或数字通信。可见光通信是利用可见光(波长0.76~0.39微米)传输信息的。早期的可见光通信采用普通光源，如火光通信、灯光通信、信号弹等。由于普通光源散发角大，通信距离近，只能作为视距内的辅助通信。近代的可见光通信有氦氖激光（红色)通信和蓝绿激光通信。红外光通信是利用红外线(波长1000~0.76微米)传输信息的。紫外光通信是利用紫外线(波长0.39~5×10-3微米)传输信息的。通常所说的红外光通信和紫外光通信均为非激光通信。

2双直波导微环谐振器设计与仿真

双直波导微环谐振器组成复杂，包含微环波导和直波导，该装置耦合区域具有对称特性。对单直波导微环谐振器而言，当光波处于微环内传输距离存在位移现象，简单来说相位并没有发生任何变化，与微环的光波相结合，进而出现相干相长的情况，只是微环波导内光强持续增强，在这种环境下微环谐振器运行过程中出现谐振的情况，对波导的微环谐振器进行分析，确定微环有效折射概率，计算微环绕传输过程中相位变化情况。

3耦合间隔对输出特性的影响

为掌握波导间距尺寸大小对双直波导微环谐振器输出阶段造成的影响，分析实际需求，选择波长合适的连续波输入其中，将光源功率调整为1作为单位强度。选用硅作为波导应用材料，在被空气包裹的情况下对波导尺寸进行计算，结果表明尺寸变化处于0~0.2μm这一范围内，为强化数据结果准确性，可截取部分变化重新测量，结果表明变化大于在0.02μm，录入不同监控装置采集的能量值，详情如图1。基于表1中记录的数据绘制折线图，这种方式最大的优势在于展示更为直观，如图1所示。对图中内容进行分析可以看出，当耦合间隔持续增加的情况下，位于M1的能量值会逐渐下降直至趋近零值之后呈现出上升趋势，最终结果趋近于1，对折现变化情况进行分析发现，整体体现出漏斗形态。位于M2的能量首先呈现出上升趋势之后逐渐向零值靠近，当耦合间隔保持在0.03μm时，M1的波谷与M2的波峰相互对应，在这种情况下耦合间隔处于最佳状态；从中随意选择一个数值作为横坐标，计算对应曲线总值发现结果临近1，这一结果证明微环谐振器运行过程中能量始终保持固定状态，而计算结果之所以出现误差时域有限差分法对网格划分所致，数据读取存在误差，究其原因，如果耦合间隔由0作为出发点持续上升，直波导与微环波导间之间的耦合系数同样会持续增加，对双波导型谐振器而言，波导间形态会陆续转化，以至于直波导输出端能量相互交替。

图1耦合间隔与输出端能量关系图

4微环谐振器的滤波和分束特性仿真

对耦合间隔对微环谐振器输出造成的影响进行探究可以看出，当耦合间隔保持在0.03μm时，滤波效果最佳，而耦合间隔长度处于0.013μm和0.062μm时分束功能可以充分发挥，针对微环谐振器的滤波功能进行仿真操作，对参数做出适当调整，将1.55μm的连续波光源作为仿真波长。将背景折射率设定为1，选用硅作为波导材料，波导宽度调整为0.2μm，波导耦合间隔长度约为0.03μm。针对微环谐振器的分束功能设定合适的数值进行模拟，将波导间耦合间隔长度设定为0.062μm，剩余参数参照滤波功能仿真设定，两者保持一致。监测双直波导微环谐振器围绕光波限号变化情况绘制成图，详情如图2所示，对图2（a）光波微环谐振器中的传输进行探究，光波信号从左直波导下端LS处输入，在波导交界处全部耦合到微环波导中，光波信号在微环中传输半周后，一部分符合谐振条件的光波信号通过波导间耦合作用进入右直波导，并从M2处输出，另一部分不符合谐振条件的光波信号继续在微环中传输。图2(b)微环谐振器实现滤波功能的能量输出关系图，明显观察到M1处的信号能量接近于0，而M2处的信号能量近似等于1，符合能量守恒，微环谐振器的滤波效果符合预期。图2（c）是微环谐振器在实现分束功能时的模拟过程，与实现滤波不同的是，实现分束时光波信号在通过左直波导和微环耦合区处，一部分不符合谐振条件的光波信号直接从左直波导输出端M1处输出，另一部分符合谐振条件的光波信号耦合进入微环中，之后在右直波导处的发生与实现滤波功能时同样的现象，此处不再赘述。图2(d)是微环谐振器实现分束功能的能量输出关系图，随着仿真过程的推进，两条曲线近乎重合。在M1和M2处检测到的能量值都非常接近0.5，两个输出端的能量之和也几乎等于说明微环谐振器的分束效果符合要求。

图2

5结语

结合上述内容可以看出，文章结合实际案例利用时域有限差分法围绕双直波导微环谐振器进行数值模拟。该模型可以完成信号滤波和分束的录入。如果输入信号并不是单一波长光波的情况下，通过微环谐振器具有滤波功能可以调整波导间耦合间隔，同时针对信号进行提纯，或者通过分束功能复用单一广播。以该模型作为基础，利用多个微环和直波导创建波分复用装置，通过分离方式完成混合光波信号处理，进一步推动我国通信事业前行。

参考文献

[1]郭鹏超,靳文涛,郭朝荣.光通信波导微环谐振器的设计与仿真[J].电子世界,2021(17):3.

[2]吴蓉,胡延伟,徐晓瑞.新型微环谐振器中慢光效应仿真研究[J].2022(2).

[3]申芳芳.基于波导微环的微波光子信号处理技术研究[D].大连理工大学,2020.

陈诗朝 身份证号：450902198403056095