光譜濾波仿真的案例
OptiSystem應(yīng)用：FBG濾波仿真
建模任務(wù)
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應(yīng)用。本案例有兩種項(xiàng)目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。在第二種布局下，使用了高斯脈沖。
2. 白光光源下的FBG濾波器
下圖所示為光路圖。
初始的頻譜如下圖。
接下來(lái)我們對(duì)布拉格光柵的主選項(xiàng)卡中的反射率進(jìn)行掃描，如圖。
因?yàn)榉瓷渎逝c耦合長(zhǎng)度和光柵長(zhǎng)度的乘積有關(guān)，所以這種掃描對(duì)應(yīng)于耦合長(zhǎng)度和/或光柵長(zhǎng)度的變化。相應(yīng)反射光譜的比較如下圖所示。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵反射光譜
透射光譜如下圖。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵透射光譜
3. 高斯脈沖下的FBG濾波器
高斯脈沖光學(xué)系統(tǒng)中均勻光纖布拉格光柵濾波器的光路如下圖。
我們對(duì)高斯脈沖的半高全寬（寬度）進(jìn)行掃描，設(shè)置其寬度為0.005、0.05和0.5，如圖。
初始高斯脈沖的頻譜如圖
高斯脈沖的初始頻譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的反射光譜如圖所示。
展開(kāi) OptiSystem：FBG濾波仿真
1.建模任務(wù)
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應(yīng)用。本案例有兩種項(xiàng)目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。在第二種布局下，使用了高斯脈沖。
2.白光光源下的FBG濾波器
下圖所示為光路圖。
初始的頻譜如下圖。
接下來(lái)我們對(duì)布拉格光柵的主選項(xiàng)卡中的反射率進(jìn)行掃描，如圖。
因?yàn)榉瓷渎逝c耦合長(zhǎng)度和光柵長(zhǎng)度的乘積有關(guān)，所以這種掃描對(duì)應(yīng)于耦合長(zhǎng)度和/或光柵長(zhǎng)度的變化。相應(yīng)反射光譜的比較如下圖所示
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵反射光譜
透射光譜如下圖。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵透射光譜
3.高斯脈沖下的FBG濾波器
高斯脈沖光學(xué)系統(tǒng)中均勻光纖布拉格光柵濾波器的光路如下圖。
我們對(duì)高斯脈沖的半高全寬（寬度）進(jìn)行掃描，設(shè)置其寬度為0.005、0.05和0.5，如圖。
初始高斯脈沖的頻譜如圖
高斯脈沖的初始頻譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的反射光譜如圖所示。
反射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的透射光譜如圖所示。
透射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
正如我們所看到的，因?yàn)樵诘诙N情況下，光柵的帶寬（125GHz）遠(yuǎn)小于脈沖頻譜，所以脈沖的一部分頻譜被反射。總之，我們已經(jīng)證明了OptiSystem中的光纖布拉格光柵組件作為濾波器。
展開(kāi) Czerny-Turner單色儀&光譜儀的仿真
測(cè)量系統(tǒng)(MSY.0003 v1.1)
應(yīng)用示例簡(jiǎn)述
1.系統(tǒng)說(shuō)明
? 光源
— 平面波(單色)用作參考光源
— 鈉燈(具有鈉的雙重特性)
? 組件
— 光闌(狹縫)，拋物面反射鏡，閃耀光柵
? 探測(cè)器
— 功率
— 視覺(jué)評(píng)估
? 建模/設(shè)計(jì)
— 光線追跡：初始系統(tǒng)概覽
— 幾何場(chǎng)追跡+(GFT+)：
? 窄帶單色儀系統(tǒng)的仿真
? 為分辨特定光譜曲線進(jìn)行整個(gè)光譜的高分辨率分析
2.系統(tǒng)說(shuō)明
3.系統(tǒng)參數(shù)
4.建模/設(shè)計(jì)結(jié)果
總結(jié)
模擬并分析了Czerny-Turner單色儀及并將其用于光譜研究中。
1. 仿真
以光線追跡對(duì)單色儀核校。
2. 研究
應(yīng)用經(jīng)典場(chǎng)追跡和幾何場(chǎng)追跡+引擎對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。系統(tǒng)分析中包括采用傅里葉模態(tài)法進(jìn)行光柵效率的嚴(yán)格分析。
3. 應(yīng)用
應(yīng)用真實(shí)的Czerny-Turner單色儀分辨了鈉燈的雙波長(zhǎng)特性
可以通過(guò)使用VirtualLab對(duì)復(fù)雜的光譜系統(tǒng),比如Czerny-Turner進(jìn)行詳盡的研究。
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1. 仿真任務(wù)：Czerny-Turner干涉儀
Czerny-Turner干涉儀是一種廣泛用于光和樣本的光譜研究。主要由兩個(gè)球面或拋物面反射鏡、兩個(gè)光闌以及一個(gè)作為分光元件的光柵組成。
2. 系統(tǒng)參數(shù)
元件在1m范圍內(nèi)的距離與非常窄的入瞳孔徑進(jìn)行結(jié)合以確保單色儀/光譜儀的高光譜分辨率。
3.
展開(kāi) SPRAY 光譜光線追跡仿真軟件
SPRAY是一款適用于Windows 7/8/10 操作系統(tǒng)的軟件，用于進(jìn)行頻率(或波長(zhǎng))分辨的光線追跡模擬仿真。您可以定義：
? 發(fā)射光線的光源
? 如鏡子、光散射器、吸收器或改變光線方向或吸收光線的表面等物體
? 屏幕、探測(cè)器和探測(cè)器陣列來(lái)收集關(guān)于設(shè)置中輻射分布的信息
SPRAY 組件
以下組件在當(dāng)前版本中可用:
光源
? 點(diǎn)光源(各向同性發(fā)射)
? 體積光源(各向同性發(fā)射)
? 矩形光源(用戶自定義發(fā)射錐)
? 圓形光源(用戶自定義發(fā)射錐)
? 組合光源(多個(gè)元素發(fā)光)
探測(cè)器
? 矩形探測(cè)器
? 屏幕
? 線性檢測(cè)器陣列
? 球形探測(cè)器陣列
界面
界面將空間中的區(qū)域分開(kāi)，例如定義從一種材料到另一種材料和/或從非散射區(qū)域到光散射體的過(guò)渡。界面被定義為層疊或邊界，具有用戶定義的反射率和透過(guò)率屬性(規(guī)則或漫反射)。
幾何物體
幾何物體可以被用戶定義的界面或理想的鏡子或吸收器覆蓋。以下這些形狀目前可用:
? 矩形
? 三角形
? 球體
? 部分球體
? 圓柱體
? 開(kāi)柱面
? 錐
? 部分橢球
? 部分拋物面
? 球面聚光透鏡
? 球面色散透鏡
? 棱鏡
? 用戶自定義表面輪廓
? 多個(gè)子形狀的組合
SPRAY使用與SCOUT光譜仿真軟件相同的光學(xué)常數(shù)模型和數(shù)據(jù)，包括大型數(shù)據(jù)庫(kù)。在接口中使用的層疊定義也是完全相同的。在幾何物體之間，光線可以在吸收、散射或熒光介質(zhì)中移動(dòng)。
利用集成的Mie-程序計(jì)算多涂層球體的光散射和吸收特性。
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展開(kāi) 
VirtualLab運(yùn)用：Czerny-Turner單色儀&光譜儀的仿真
測(cè)量系統(tǒng)(MSY.0003 v1.1)
應(yīng)用示例簡(jiǎn)述
1.系統(tǒng)說(shuō)明
?光源
—平面波(單色)用作參考光源
—鈉燈(具有鈉的雙重特性)
?組件
—光闌(狹縫)，拋物面反射鏡，閃耀光柵
?探測(cè)器
—功率
—視覺(jué)評(píng)估
?建模/設(shè)計(jì)
—光線追跡：初始系統(tǒng)概覽
—幾何場(chǎng)追跡+(GFT+)：
?窄帶單色儀系統(tǒng)的仿真
?為分辨特定光譜曲線進(jìn)行整個(gè)光譜的高分辨率分析
2.系統(tǒng)說(shuō)明
3.系統(tǒng)參數(shù)
4.建模/設(shè)計(jì)結(jié)果
總結(jié)
模擬并分析了Czerny-Turner單色儀及并將其用于光譜研究中。
1.仿真
以光線追跡對(duì)單色儀核校。
2.研究
應(yīng)用經(jīng)典場(chǎng)追跡和幾何場(chǎng)追跡+引擎對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。系統(tǒng)分析中包括采用傅里葉模態(tài)法進(jìn)行光柵效率的嚴(yán)格分析。
3.應(yīng)用
應(yīng)用真實(shí)的Czerny-Turner單色儀分辨了鈉燈的雙波長(zhǎng)特性
可以通過(guò)使用VirtualLab對(duì)復(fù)雜的光譜系統(tǒng),比如Czerny-Turner進(jìn)行詳盡的研究。
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1.仿真任務(wù)：Czerny-Turner干涉儀
Czerny-Turner干涉儀是一種廣泛用于光和樣本的光譜研究。主要由兩個(gè)球面或拋物面反射鏡、兩個(gè)光闌以及一個(gè)作為分光元件的光柵組成。
2.系統(tǒng)參數(shù)
元件在1m范圍內(nèi)的距離與非常窄的入瞳孔徑進(jìn)行結(jié)合以確保單色儀/光譜儀的高光譜分辨率。
3.說(shuō)明：平面波(參考)
?采用單色平面光源用于計(jì)算和測(cè)試。
展開(kāi) 基于Lumerical的光子晶體諧振腔濾波器仿真模擬
波分復(fù)用技術(shù)是大容量光纖通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，而濾波器是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的關(guān)鍵器件。教程介紹利用FDTD搭建二維光子晶體諧振腔濾波器模型，并通過(guò)仿真求解特定尺寸構(gòu)型下的諧振腔共振模式以及帶寬等參數(shù)。本案中仿真260nm厚度下的嵌有三角晶格陣列的納米孔二維光子晶體諧振腔，仿真波長(zhǎng)1000~1400nm。
1. 構(gòu)建模型
添加三角晶格的納米孔：
納米孔的構(gòu)造通過(guò)structure腳本實(shí)現(xiàn)。此處略去了中心兩圈的納米孔，引入光子晶體缺陷，從而有效形成諧振腔。三角晶格常數(shù)為366nm。孔半徑為135.42nm。
2. 添加網(wǎng)格
設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，如下圖所示：
注意本案中由于采用三角網(wǎng)格，便于操作與剖分，將默認(rèn)正方網(wǎng)格屬性更改為菱形，如下
點(diǎn)擊該控件，繼續(xù)編輯，參數(shù)設(shè)置如下
60是設(shè)置相交的兩條網(wǎng)格線的夾角，從而形成菱形。注意網(wǎng)格尺寸這里與晶格大小保持一致，均為366nm。
3. 設(shè)置仿真區(qū)域FDTD
點(diǎn)擊控件region，添加FDTD區(qū)域
設(shè)置FDTD參數(shù)，如下
上圖FDTD 邊界條件設(shè)定中，特定在 z min bc 處設(shè)為symmetry，對(duì)稱模式，因?yàn)檎麄€(gè)模型在z方向是對(duì)稱的，因此為了節(jié)約計(jì)算機(jī)仿真時(shí)間，可以這樣便捷設(shè)定。
4. 添加偶極子云dipole cloud
Lumerical 一大優(yōu)勢(shì)是很多分析方法可以通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)。上述控件添加了交互界面，實(shí)現(xiàn)偶極子云的添加，輸入光源。通過(guò)對(duì)話框輸入可編輯變量，變量的屬性，變量的值等。這些變量后續(xù)在代碼中需要調(diào)用。注意這里的偶極子位置是隨機(jī)分布的，通過(guò)運(yùn)行生產(chǎn)代碼，從而形成偶極子云。
5.
展開(kāi) [Optiwave] OptiSystem應(yīng)用：FBG濾波仿真
建模任務(wù)
本案例演示了均勻光纖布拉格光柵組件在OptiSystem中作為濾波器的應(yīng)用。本案例有兩種項(xiàng)目布局。在第一種布局中，使用了白色光源。在第二種布局下，使用了高斯脈沖。
2. 白光光源下的FBG濾波器
下圖所示為光路圖。
初始的頻譜如下圖。
接下來(lái)我們對(duì)布拉格光柵的主選項(xiàng)卡中的反射率進(jìn)行掃描，如圖。
因?yàn)榉瓷渎逝c耦合長(zhǎng)度和光柵長(zhǎng)度的乘積有關(guān)，所以這種掃描對(duì)應(yīng)于耦合長(zhǎng)度和/或光柵長(zhǎng)度的變化。相應(yīng)反射光譜的比較如下圖所示。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵反射光譜
透射光譜如下圖。
0.19和0.59反射率的均勻布拉格光柵透射光譜
3. 高斯脈沖下的FBG濾波器
高斯脈沖光學(xué)系統(tǒng)中均勻光纖布拉格光柵濾波器的光路如下圖。
我們對(duì)高斯脈沖的半高全寬（寬度）進(jìn)行掃描，設(shè)置其寬度為0.005、0.05和0.5，如圖。
初始高斯脈沖的頻譜如圖
高斯脈沖的初始頻譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的反射光譜如圖所示。
反射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
獲得的透射光譜如圖所示。
透射光譜，寬度為0.5和0.05（分別為12.5ps和1.25ps）
正如我們所看到的，因?yàn)樵诘诙N情況下，光柵的帶寬（125GHz）遠(yuǎn)小于脈沖頻譜，所以脈沖的一部分頻譜被反射。
展開(kāi) 濾波器 | 仿真、優(yōu)化和基于測(cè)量的建模顯著加快設(shè)計(jì)進(jìn)程
該軟件基于濾波器性能規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了集總組件和物理濾波器的綜合布局設(shè)計(jì)，并在Ansys HFSS電磁仿真器中自動(dòng)設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化
Modelithics為表面貼裝部件提供了綜合模型庫(kù)，可以考慮部件對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的影響，從而可以簡(jiǎn)化濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。此外，Modelithics部件庫(kù)將組件表面、基板或電路板作為參數(shù)。這些模型還提供與安裝焊盤尺寸相關(guān)的參數(shù)。
通過(guò)選擇尺寸準(zhǔn)確的組件和材料，您可以更好地了解設(shè)計(jì)，并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和失敗的可能性。
您可以從Nuhertz或HFSS訪問(wèn)Modelithics庫(kù)。Nuhertz能以直接、無(wú)縫的方式提供自動(dòng)濾波器設(shè)計(jì)、綜合與優(yōu)化。基于濾波器性能規(guī)范，Nuhertz可以綜合設(shè)計(jì)出濾波器上的集總組件，并在HFSS中自動(dòng)設(shè)置濾波器分析和優(yōu)化。
HFSS適用于電磁仿真，可幫助您設(shè)計(jì)和仿真高頻電子產(chǎn)品，例如RF和微波組件、濾波器、連接器、PCB、天線等。首先，對(duì)RLC組件的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行優(yōu)化；然后，優(yōu)化平面互連，以確保離散組件及其互連的電磁耦合都能被考慮到，實(shí)現(xiàn)符合性能規(guī)范的最佳設(shè)計(jì)。如果需要，可以將屏蔽、外殼效應(yīng)和基板邊緣連接器納入整體優(yōu)化中。
Ansys HFSS 3D電磁（EM）仿真使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ω哳l電子產(chǎn)品進(jìn)行建模，如：天線、天線陣列、射頻（RF）或微波組件、高速互連、濾波器、連接器、集成芯片（IC）封裝與印刷電路板
HFSS有兩種模式：3D模式和3D Layout模式，后者非常適合處理分層電路板幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)題或高速組件（如IC封裝、片上嵌入式無(wú)源組件和PCB互連）的布局問(wèn)題。
展開(kāi) HFSS高性能平行耦合微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)與仿真攻略
圖2.3 ADS電路原理圖
圖2.4 ADS電路原理圖仿真S參數(shù)曲線響應(yīng)
由圖 2.4 可知，該帶通濾波器中心頻率為2.55GHz，插入損耗 S21滿足指標(biāo)，但回波損耗S11在2.5GHz低于15dB及阻帶衰減都沒(méi)有滿足要求，顯然無(wú)法滿足濾波器指標(biāo)，因此我們需要對(duì)平行耦合帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
平行耦合帶通濾波器優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)
在平行耦合帶通濾波器的仿真優(yōu)化中，S參數(shù)是衡量濾波器性能好壞的的重要指標(biāo)，S參數(shù)中包括S11和S21。S11為反射系數(shù)，也就是回波損耗，S21為傳輸系數(shù)，也就是插入損耗。本節(jié)中設(shè)定優(yōu)化參數(shù) S21大于-1.5dB，S11小于-15dB。接下來(lái)將在 ADS 仿真軟件的原理圖中對(duì)平行耦合帶通濾波器進(jìn)行優(yōu)化。
本節(jié)設(shè)計(jì)的平行耦合帶通濾波器有5對(duì)耦合節(jié)(6個(gè)階梯)，主要的優(yōu)化參數(shù)為微帶線的長(zhǎng) L、寬W和間距S。經(jīng)多次參數(shù)優(yōu)化后，最終得到平行耦合微帶帶通濾波器的具體尺寸，如表 2.4 所示,優(yōu)化后的原理圖如圖2.5所示。
圖2.5 ADS優(yōu)化后的電路圖與尺寸
從表2.4中可以看出，優(yōu)化后的每組微帶線間距S與長(zhǎng)度L與前面通過(guò)公式計(jì)算出的理論值不同，這是由于平行耦合微帶線存在線間邊緣效應(yīng)，從而影響了各個(gè)參數(shù)的計(jì)算。經(jīng)過(guò)ADS電路優(yōu)化后的濾波器S參數(shù)如圖2.6所示。
展開(kāi) 使用多物理場(chǎng)仿真預(yù)測(cè)熱漂移，優(yōu)化微波濾波器設(shè)計(jì)
微波濾波器有助于防止微波發(fā)射器的輸出中出現(xiàn)不需要的頻率成分。然而，如果微波系統(tǒng)發(fā)生了熱漂移，濾波器的高頻穩(wěn)定性將變得很差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，并改進(jìn)濾波器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工程師需要預(yù)測(cè)熱膨脹導(dǎo)致的通帶頻率的變化。多物理場(chǎng)仿真能夠幫助工程師順利完成這項(xiàng)任務(wù)。
改進(jìn)微波發(fā)射器的設(shè)計(jì)
當(dāng)設(shè)計(jì)微波發(fā)射器時(shí)，系統(tǒng)工程師必須保證輸出中沒(méi)有不需要的頻率。常用的解決方案是在發(fā)射器天線和非線性功率放大器之間放置一個(gè)微波濾波器。通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)窄帶濾波器對(duì)輸出進(jìn)行處理，工程師可以將放大器產(chǎn)生的諧波消除。
微波發(fā)射塔。圖片由 Tom Page 拍攝。已獲 CC BY-SA 2.0 授權(quán)，并通過(guò) Flickr Creative Commons 共享。
這種方案自身也存在問(wèn)題。當(dāng)發(fā)射器暴露在高功率載荷下和嚴(yán)酷的環(huán)境中時(shí)（比如暴露在極熱的沙漠中的蜂窩基站），可能產(chǎn)生熱漂移。
在沙漠暴曬等嚴(yán)酷的環(huán)境中，微波發(fā)射器內(nèi)會(huì)發(fā)生熱漂移。圖片已獲 CC BY 4.0 授權(quán)，并通過(guò) ESO/C. Malin 共享。
結(jié)構(gòu)的熱膨脹會(huì)擾亂微波系統(tǒng)中濾波器的頻率響應(yīng)。因此，為了設(shè)計(jì)可靠的濾波器，我們不但要進(jìn)行精確的電磁分析，而且還要研究溫度上升引起的結(jié)構(gòu)變形。本文的示例表明，我們可以借助 COMSOL Multiphysics? 軟件的“RF 模塊”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”實(shí)現(xiàn)上述操作。
微波濾波器中的熱效應(yīng)建模
我們首先觀察一下模型：銅盒內(nèi)是一根直立的圓柱體，銅盒表面鍍了一層可降低損耗的銀薄膜。圓柱體和銅盒之間的電磁空腔是充滿空氣的密閉空間。現(xiàn)實(shí)中的濾波器常常包含多個(gè)級(jí)聯(lián)空腔，不過(guò)我們模型僅重點(diǎn)分析一個(gè)空腔。
展開(kāi) 