Optimization of the scattering matrix of frequency - detuned add/drop filters for multiplexers built on systems of optical dielectric resonators with whispering gallery modes

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorTrubin, Alexander A.
dc.date.accessioned2025-04-09T12:28:13Z
dc.date.available2025-04-09T12:28:13Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractBackground. A significant increase in the speed of information transmission in fiber-optic communication networks is determined by the strict requirements imposed on the elemental base of receiving and transmitting devices. One of the important components of such devices is diplexers built on different notch and bandpass filters, which are often performed on dielectric resonators (DR) with whispering gallery mode (WGM) oscillations. Calculation and optimization of the parameters of multilink filters and diplexers built on DR is impossible without further development of the theory of their design. The development of the theory of diplexers today is often based on electrodynamic modelling, which is built on preliminary calculations of filter scattering parameters in various transmission lines with a complex topology of connections. Objective. The aim of this study is to construct electrodynamics models of wave scattering on complex multi-connected DR structures with degenerate types of WGM natural oscillations, which contain several frequency-detuned bandpass or notch filters located in one or several transmission lines. To solve the scattering problem, we proposed a system of equations derived from perturbation theory for Maxwell's equations [24], modified to describe the DR fields with whispering gallery oscillations in transmission lines. The construction of such solutions is complicated by the fact that each of the partial optical resonators of the filters, in the case of excitation of azimuthally inhomogeneous WGM in it, has, as a rule, two degenerate types of natural oscillations. Moreover, each such type of oscillation is characterized by different complex values of the coupling coefficients with the line, open space, and also with other resonators. The latter circumstance leads to the fact that the systems of equations for the amplitudes of natural and forced oscillations of resonators are doubled. The signs of the coefficients of mutual coupling are usually different, this leads to the fact that the behaviour of DRs in the system becomes more difficult to predict, therefore the second objective of this work is to study the patterns of the scattering characteristics of line waves on systems of frequency-detuned DRs with degenerate types of oscillations with the possibility of constructing multiplexers for modern optical communication systems. Methods. The methods of technical electrodynamics are used for calculating and analysing scattering matrices. The end result is obtaining new analytical equations and formulas for new complex structures of coupled dielectric resonators with whispering gallery oscillations in the different transmission lines. Results. Frequency dependences of scattering matrices on complex structures of frequency-detuned filters built on coupled optical DR with whispering gallery oscillations located in one or more transmission lines are considered. Electromagnetic models of bandstop and add/drop filters are built, consisting of various optical resonators with degenerate types of natural oscillations. General analytical expressions of vector coefficients and matrices for building systems of equations describing coupled oscillations, as well as forced oscillations of resonators in cases of their use in optical filters with serial and parallel arrangement, are given. General solutions for the scattering field on frequency-detuned resonators located in different optical transmission lines have been found. Examples of calculating frequency dependences of the scattering matrix for the most interesting structures consisting of two different frequency-detuned filters are given. The frequency scattering characteristics of several types of devices are calculated, which consist of two notch filters with different blocking bands, made on detuned DRs in one transmission line. The possibilities of the earlier proposed method are demonstrated in the example of calculating the scattering characteristics of known types of diplexers built on the basis of the use of two add/drop filters with different frequency bandwidths. The frequency dependences of the scattering matrices of the two most common types of devices, located in parallel between two or four regular transmission lines of add/drop filters with different numbers of resonators; laterally coupled add/drop filters; parallel-coupled add/drop filters; twisted double-channel side-coupled integrated space sequence of resonators (SCISSORs), were studied. New scattering models of diplexers consisting of optical resonators of different connection topologies were built: serial, parallel with the use of laterally coupled add/drop filters; parallel-coupled add/drop filters; twisted double-channel SCISSORs. The frequency dependences scattering matrix of the diplexers were also calculated. The characteristics of the designed diplexers obtained from the examined filters of different types were compared. Conclusions. The theory of diplexer construction, which takes place on the simultaneous optimization of the scattering matrix of several filters built on complex systems of dielectric resonators with degenerate types of whispering gallery oscillations is expanded. A calculation method was developed and new analytical relations were found for the scattering matrix coefficients of optical diplexers of various types.
dc.description.abstractotherПроблематика. Суттєве підвищення швидкості передачі інформації в волоконно-отичних мережах звязку визначається жорсткими вимогами, що пред'являються до елементної бази приймально-передавальних пристроїв. Одної із важливих складових частин таких пристроїв є диплексери, побудовані на смугових фільтрах, яки часто виконуються на діелектричних резонаторах з коливаннями шепочучої галереї. Розрахунок та оптимізація параметрів багатоланкових смугових фільтрів та диплексерів, побудованих на їх основі, неможливо без подальшого розвитку теорії їх проектування. Розвиток теорії диплексерів сьогодні часто базується на електродинамічному моделюванні яке ґрунтується на попередніх розрахунках параметрів розсіювання фільтрів в різноманітних лініях передачі складної топології зв’язків. Мета досліджень. Метою даного дослідження є побудова електродинамічних моделей розсіювання хвиль на багатозв’язних структурах ДР з виродженими типами власних коливань МШГ, які містять декілька частотнорозстроєних смугових або режекторних фільтрів, розташованих в одній або кількох лініях передачі. Для вирішення проблеми розсіювання ми використовуємо систему рівнянь, отриману з теорії збурень для рівнянь Максвелла [24], модифіковану для опису полів DR з коливаннями шепочучої галереї в лінії передачі. Побудова таких рішень ускладнюється тим, що кожен із часткових оптичних резонаторів фільтрів у разі збудження в ньому азимутально неоднорідної ШГМ має, як правило, два вироджених типи власних коливань. Крім того, кожен такий тип коливань характеризується різними комплексними значеннями коефіцієнтів зв'язку з лінією, простором, а також з іншими резонаторами. Остання обставина призводить до того, що системи рівнянь для амплітуд власних і вимушених коливань резонаторів подвоюються. Знаки коефіцієнтів взаємного зв’язку зазвичай різні, це призводить до того, що поведінку ДР в системі стає складніше передбачити, тому другою метою цієї роботи є дослідження закономірностей характеристик розсіювання хвиль ліній передачи. на системах частотно-розстроєних ДР з виродженими типами коливань з можливістю побудови мультиплексорів для сучасних оптичних систем зв'язку. Методика реалізації. Для розрахунку та аналізу матриць розсіювання використовуються методи технічної електродинаміки. Кінцевим результатом є отримання нових аналітичних рівнянь та формул для нових складних структур зв’язаних діелектричних резонаторів з коливаннями шепочучої галереї. Результати досліджень. Розглянуто частотні залежності матриць розсіювання на складних структурах частотнорозстроюваних фільтрів, побудованих на сполучених оптичних діелектричних резонаторах (ДР) з коливаннями шепочучої галереї, розташованих в одній або кількох лініях передачі. Побудовано електромагнітні моделі смугових і фільтрів введення/виводу, які складаються з різноманітних оптичних резонаторів з виродженими типами власних коливань. Наведено загальні аналітичні вирази коефіцієнтів матриць для побудови систем рівнянь, що описують зв'язані коливання, а також вимушені коливання резонаторів у випадках їх використання в оптичних фільтрах з послідовним і паралельним розташуванням. Знайдено загальні аналітичні рішення для поля розсіювання на частотнорозстроєних резонаторах, розташованих у різних оптичних лініях передачі. Наведено приклади розрахунку частотних залежностей матриці розсіювання для найбільш цікавих структур, що складаються з двох різночастотних розстроєних фільтрів. Розраховано частотні дисперсійні характеристики декількох типів пристроїв, які складаються з двох режекторних фільтрів з різними смугами загородження, виконаних на розстроєних ДР в одній лінії передачі. Можливості запропонованого методу продемонстровано на прикладі розрахунку характеристик розсіювання відомих типів диплексерів, побудованих на основі використання двох фільтрів введення/виводу з різними частотними смугами пропускання. Частотні залежності матриць розсіювання двох найпоширеніших типів пристроїв, розташованих паралельно між двома або чотирма регулярними лініями передачі фільтрів введення/виводу з різною кількістю резонаторів; фільтри введення/виводу з боковими зв'язками; паралельно з'єднані фільтри введення/виводу; скручена двоканальна з бічним зв'язком інтегрована просторова послідовність резонаторів. Побудовано нові моделі розсіювання диплексерів, що складаються з оптичних резонаторів різної топології з’єднання: послідовного, паралельного з використанням фільтрів введення/виводу з боковими зв'язками; паралельно з'єднані фільтри введення/виводу; скручена двоканальна з бічним зв'язком інтегрована просторова послідовність резонаторів. Розраховано частотні залежності матриці розсіювання диплексера. Проведено порівняння характеристик розроблених диплексерів, отриманих на основі досліджуваних фільтрів різних типів. Висновки. Розширено теорія конструювання диплексерів яке відбувається на одночасної оптимізації матриці розсіювання декількох фільтрів, побудованих на складних системах діелектричних резонаторів з виродженими типами коливань шепочучої галереї. Побудована методика розрахунку та знайдено нові аналітичні співвідношення для коефіцієнтів матриці розсіювання оптичних диплексерів різних видів.
dc.format.pagerangePp. 39-52
dc.identifier.citationTrubin, A. A. Optimization of the scattering matrix of frequency - detuned add/drop filters for multiplexers built on systems of optical dielectric resonators with whispering gallery modes / Alexander A. Trubin // Information and telecommunication sciences : international research journal. – 2024. – Vol. 15, N. 2. – Pp. 39-52. – Bibliogr.: 27 ref.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2411-2976.22024.39-52
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/73308
dc.language.isoen
dc.publisherNational Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
dc.publisher.placeKyiv
dc.relation.ispartofInformation and telecommunication sciences : international research journal, Vol. 15, N. 2
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectscattering
dc.subjectdielectric resonator
dc.subjectscattering matrix
dc.subjectnotch filter
dc.subjectlaterally coupled add/drop filter
dc.subjectparallelcoupled add/drop filter
dc.subjecttwisted double-channel SCISSOR
dc.subjectdiplexer
dc.subjectрозсіювання
dc.subjectдіелектричний резонатор
dc.subjectматриця розсіювання
dc.subjectрежекторний фільтр
dc.subjectфільтри введення/виводу з боковими зв'язками
dc.subjectпаралельно з'єднані фільтри введення/виводу
dc.subjectскручена двоканальна з бічним зв'язком інтегрована просторова послідовність резонаторів
dc.subjectдиплексер
dc.subject.udc621.391
dc.titleOptimization of the scattering matrix of frequency - detuned add/drop filters for multiplexers built on systems of optical dielectric resonators with whispering gallery modes
dc.title.alternativeОптимізація матриці розсіювання частотно-розстроєних фільтрів введення/виводу для мультиплексорів, побудованих на системах оптичних діелектричних резонаторів з коливаннями шепочучої галереї
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
39-52.pdf
Розмір:
1.87 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Information and telecommunication sciences: international research journal, Vol. 15, N. 2