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1深圳大学本科毕业论文(设计)题目D/A转换光路设计姓名专业光信息科学与技术学院电子科学与技术学号指导教师职称教授、实验师20年05月17日2深圳大学本科毕业论文(设计)诚信声明本人郑重声明所呈交的毕业论文(设计),题目D/A转换光路设计是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。除此之外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文(设计)作者签名日期年月日3目录摘要4第一章光子晶体与D/A转换51什么是光子晶体52光子晶体的性质53光子晶体的分类和应用64D/A转换原理和光子晶体D/A转换器65设计任务7第二章计算模拟方法和工具81算法92RSOFT软件9第三章模块中的导波分析121直波导中慢变结构对光传输的影响122波导中直角对光传输的影响13第四章十字结构下的非门和比较器151结构、参数和原理152非门163比较器18第五章功率合成201T型合成20第六章D/A转换光路设计251二位D/A转换252三位D/A转换26第七章光路设计中的创新与特色总结28第八章设计中存在的问题与解决思想28参考文献29致谢30ABSTRACT314D/A转换光路设计电子科学与技术学院光信息科学与技术李开明学号2005111146【摘要】光子晶体D/A转换光路是未来信息处理、数字光信号输出、网络信号监测的关键技术。本论文论述了在光子晶体环境下,D/A转换的原理和设计方法。讨论了波导和光子晶体中慢变结构对电磁波传输的影响,研制了基于十字结构的比较器,还对功率合成方法进行了分析和讨论。并进行了基于光子晶体数模转换的实验研究和数据分析。论文第二章介绍了光子晶体的基础理论和两种分析方法,并对RSOFT软件的使用进行了简要说明。论文第四章阐述了比较器的原理,设计调试了基于十字结构的比较器。论文第六章提出了两位、三位数模转换的光路结构,并对数据进行了分析和计算,实验显示现有条件下光子晶体数模转换的转换精度不够理想,光强合成部分是一个瓶颈需要研究解决。【关键词】光学D/A变换器、光学比较器、光学逻辑、光子晶体、光学集成线路5前言人类科技不断发展,集成电路应用到了生活的各个方面,电路的载流子是电子和空穴,由于它们有静止质量和相互之间的库仑力作用使得微电子技术的未来发展受到了限制。与电相比光速快、相互作用小、不发热,因此光作为信息的载体有着很大优越性。作为全光网络关键器件之一,全光逻辑门在寻址、光计算、时钟提取和信号再生中都有广泛应用。光子晶体材料由于可以产生光子禁带,所以可以利用禁带对光路进行约束构建光子晶体光路。本文介绍了一种基于光子晶体材料以实现数字光信号到模拟光信号的数模转换的光路结构。1光子晶体与D/A转换11什么是光子晶体光子晶体是高介电常数介质与低介电常数介质在空间周期性排列的人造晶体,其晶格常数与工作波长在同一数量级。最早在1987年,SJOHN和YABLONOVITCH分别独立在研究光子局域形态随折射系数的变化关系和材料的辐射性质时,发现介电常数呈周期变化的结构会使材料中光子模的性质发生变化,从而提出了“光子晶体”的概念。在半导体材料中,电子传播时受到原子周期性排列所形成的周期性势场调制作用而产生能隙。类似的,电磁波在介电函数周期性变化的材料中传播时,由于空间周期性分布的介电常数对电磁波的调制作用同样会产生能隙。当电磁波频率落在光子晶体禁带中时,由于光子晶体的强烈布拉格散射使电磁波全部被反射而不能传播。光子晶体的禁带通常出现在布里渊区的边界上,它不仅与光子能量有关还与光子的传播方向有关。如果在空间的所有方向上都有带隙,并且相同方向上带隙互相重叠,则称为完全带隙。如果带隙并不完全重叠,或只在特定方向上才有带隙,则称为不完全带隙。在光子晶体中引入缺陷,会产生相应缺陷能级,并影响光子晶体的能带结构。1991年,YABLONOVITCH及其合作者研制出第一块光子晶体。他们所设计的结构被称为亚布隆挪威特结构。这种结构可以阻碍1316GHZ的无线电波通过。目前,光子晶体的工作波长已经推进到可见光波段。12光子晶体的性质光子晶体最根本特征是具有禁带,光在禁带中是严格禁止传播的。一般来说,光子晶体的两种介质介电常数差越大,越容易出现光子禁带。结构对称性引起的能带简并也会影响光子禁带。研究表明,光子禁带可以抑制自发辐射。当原子自发辐射的光频率正好落在禁带中时,光子态数目为零,因此自发辐射几率为零。相反光子晶体也可以增强自发辐射,比如在光子晶体中加入杂志,引入杂质态。光子晶体还有光子局域的特性。与半导体材料的电学性质类似,可以在光子晶体中引入杂质和缺陷能级。与缺陷能级吻合的光子被限制在缺陷位置。利用点缺陷可以把光俘获在特定位置,类似于微腔。光子晶体还可以通过调整缺陷的结构和位置控制缺陷能级在光子能带中的位置。本论文的D/A转换光路设计,主6要就是对这个性质的应用。13光子晶体的分类和应用按照介电常数的空间分布周期性,光子晶体可以分为一维、二维、三维光子晶体。由于光子禁带中没有光子态,所以一束在禁带频率范围内的光子入射到光子晶体上时会被完全反射回去,利用这一点可以制造出高效率低损耗反射镜。应用光子晶体还可以制作品质因数很高的微谐振腔。利用光子禁带可以使发光二极管发出的光沿特定方向辐射出去的原理,将发光二极管发光中心放入一块特制光子晶体可以制造高效率发光二极管。实验表明加入光子晶体后发光二极管效率会从10提高到90以上。在激光其中引入光子晶体还可以实现低阈值激光震荡。这是因为当光子晶体禁带频率与激光工作物质自发辐射频率一致时,激光自发辐射频率就会很低,相应损耗也会大大降低,从而降低激光阈值。利用光子晶体的禁带特性还可以制造宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器等。14D/A转换原理和光子晶体D/A转换器数字化使人类发展产生巨大变化。我们亲身经历的数字技术的蓬勃发展,目睹了它全面渗透到了社会生活的方方面面。我们无时无刻不在享受数字时代带给我们的方便快捷。由于生活中很多物理量是模拟量,为了使数字系统能够处理模拟信号,需要将模拟信号转化为数字信号,在经过数字系统处理后有时还需要将处理的结果转化为模拟信号。在光子晶体中有时就需要将数字光信号转化成模拟光信号,就是本论文研究的数模转换光路。数模转换又称D/A转换,他是把数字量转换成模拟量的方法。电子D/A转换器一般包括4个部分,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。数模转换器常用在控制计算机输出,也用在有反馈结构的模数转换器中。串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目,一个脉冲相当于数字量的一个单位,然后将每个脉冲变为单位模拟量,并将所有的单位模拟量相加,就得到与数字量成正比的模拟量输出,从而实现数字量与模拟量的转换。例如权电阻网络数模转换器,其每一位电阻值与二进制每一位位权值相对应。输出模拟电压正比于输入的数字量。权电阻译码网络结构简单,但是输入数字信号位数较多时电阻阻值范围非常大要保证每个极高精确度极为困难,所以这种结构不利于集成电路制造。T型电阻网络数模转换器,它只用了R和2R两种阻值的电阻,精度易于提高,适合制造集成电路。但是它的缺点是需要一定的稳定时间,所以当输入信号较多时将会影响数模转换的工作速度。光子晶体有关基本原理特性及制备方面目前已有较多深入研究,但是关于光子晶体逻辑器件的设计,和光子晶体目前的应用研究还很不够。作为未来光子计算机和全光集成的基本模块,光子晶体逻辑器件的设计具有重要的意义。我认为光子晶体的制备和光子晶体逻辑光路的设计,以及光子晶体在光路集成中可能需要解决的问题,需要共同发展,否则单纯地发展制造光子晶体就失去了光子晶体研究的本来意义。本论文根据数字电路D/A转换器的基本原理,利用二维光子晶体特性提出光子晶体全光A/D转换器模块构想。以下是我们设计的D/A转换的结构示意图。7D1B3D2CAB2D3B1图1D/A转换结构示意B3、B2、B1代表光学加法模块,D3、D2、D1表示数字信号输入,A表示模拟信号输出。15设计任务应用平面波展开法FDTD(时域有限差分)模拟和RSOFT软件模拟一种二维光子晶体D/A转换光路;设计调试出基于十字结构的比较器;将调试出的3个比较器组合成3位D/A转换光路;列出逻辑关系表,根据逻辑关系表对整体结构的输出进行检验和调试。82计算模拟方法和工具21算法平面波展开法是最常见的计算光子晶体的方法之一。他把周期性变化的介电常数按傅里叶变换展开,再把电场矢量以布洛赫波展开,将光子晶体中的电磁场分布和周围介质的介电常数表示为平面波的叠加,带入麦克斯韦方程组。通过求解矩阵特征值和特征向量可以得到光子晶体能带结构图和电磁场所有模式的空间分布。这种方法原理简单,运算量小,直到目前仍然是光子晶体设计的主流方法之一。但是平面波展开法的前提条件是介电常数必须是周期性的,所以用它计算有缺陷的光子晶体就受到了限制。90年代中期时域有限差分法被引入光子晶体研究领域,它将光子晶体划分成许多小格,对麦克斯韦方程两个旋度方程进行有限差分,然后加入周期性边界条件,根据网格空间和时间步长所满足的数值稳定性条件关系,模拟出电磁波传播和与介质相互作用的过程。它可以进行时域仿真,动态显示光场传播行为。但是不能用于三维光子禁带结构计算。22RSOFTFULLWAVE软件221简介FULLWAVE是一个非常复杂的模拟工具,用来研究在各种光子结构中传播的电磁波,包括综合性光纤波导器件以及电路和纳米光子的设备,如光子晶体。软件利用时域有限差分法FDTD模拟全矢量光子结构。FULLWAVE屡获殊荣的创新设计和功能设置,是光学器件模拟工具市场的领导者。9图2FULLWAVE模拟光子带隙Y分支结构222使用步骤首先需要设置光子晶体的结构。10图3晶体的结构设置再设置光子晶体参数。图4光子晶体参数设置参数和结构设计好了开始扫描。11图5扫描设置需要指出的是,在FULLWAVE软件中,所有光源是以1号光源为强度1的归一化,所以计算中的结果都是相对1号光源强度的相对光强,没有单位。如果改变了1号光源的大小,相应的结果要乘以一号光源的设置值。123模块中的导波分析31直波导中周期性介质杆结构对光传输的影响结构如下图6直波导中周期性介质杆结构参数设置线性高折射率的介质柱(红色圆柱)选为硅(SI)材料,低折射率介质(周围环境介质)选为空气,折射率分别为34和1(即INDEXDIFFERENCE为24),设晶格常数PERIOD为1,高折射率线性介质柱的半径RADIUS为018,工作波长FREESPACEWAVELENGTH为29762黄色为微调介质杆,半径RADIUS1初始018,待测。13图7周期性介质杆半径对光波传播的影响结果显示POS取05时有最大输出光强。再对5个线性介质柱的半径进行扫描,R1从005到034,查看输出光强。14图8周期性介质杆之间距离对光波传播的影响结果显示,在R1等于01和03时有两个极值。32波导中直角对光传输的影响先对不经直角的光强进行测量。结构如下15图9直角波导结构结果如下图10直角波导未经直角前光强波形经过直角后的光强16图11直角波导经过直角波导之后输出波形对比得出,通过直角后的衰减可以忽略。174十字结构下的非门和比较器41结构、参数和原理比较器是一种基础逻辑元件,可以对高电位和低电位进行判断,在D/A转换中就是可以把二进制数1按照位权值输出光强,二进制数0输出0。基础结构图12十字结构比较器基础结构线性高折射率的介质柱(红色圆柱)选为硅(SI)材料,低折射率介质(周围环境介质)选为空气,折射率分别为34和1(即INDEXDIFFERENCE为24),设晶格常数PERIOD为1,高折射率线性介质柱的半径RADIUS为018,可计算出工作波长FREESPACEWAVELENGTH为1/0336PERIOD,即29762。中部蓝色圆柱是克尔非线性介质杆,参数设置为半径RADIUS3为015,设频率无穷大处的相对介电常数EPSILONATINFINITY为4,三阶归一化非线性系数CHI3为0001。黄色为微调介质杆,半径RADIUS1为0118。紫色为输出微调介质杆,半径为RADIUS3。这种结构的原理是通过设定中间蓝色非线性介质杆的参数,来设定一定幅度的阈值(根据需要设定)。当控制信号小于该阈值时,非线性杆折射率的变化不明显,横向处于理想周期结构状态,垂直通道阻断,参考光无法通过,输出为逻辑0;当控制信号大于该阈值时,非线性折射率变化明显,缺陷层介电常数变化,光在输出方向微调介质杆中发生谐振,垂直通道打开,输出为需要的位权值。42非门通过前面对于直波导中慢变结构对光传输的影响分析,现将结构修改成如下18图13修改后的十字结构对紫色微调介质杆半径进行扫描。对比输入为1、0和输入为1、1的结果。图141号、2号光源分别输出1、0时对R2的扫描输出19图151号、2号光源分别输出1、1时对R2的扫描输出发现在R2等于013时有一个粗糙的非门结构。对此处进行细扫,找到最高点。图16R2等于013时对图14局部细扫最高点在0132。43比较器431比较器原理比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能比较两个电压的大小用输出电压的高或低电平,表示两个输入电压的大小关系20当PINF输入端电压高于预设电压时,电压比较器输出为高电平;当PINF输入端电压低于预设电压时,电压比较器输出为低电平;电压比较器的作用它可用作模拟电路和数字电路的接口,还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单,灵敏度高,但是抗干扰能力差,因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有滞回比较器和窗口比较器。运放,是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”,比如放大倍数,反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈,直接比较两个输入端的量,如果同相输入大于反相,则输出高电平,否则输出低电平。电压比较器输入是线性量,而输出是开关(高低电平)量。一般应用中,有时也可以用线性运算放大器,在不加负反馈的情况下,构成电压比较器来使用。表11位比较器逻辑真值表输入10输出10通过前两幅图对比发现,R2等于01附近还有一个比较器结构细扫如下输入为1、1时。图17输入为1、1时对R2等于011附近细扫再对输入为1、0情况在0095到011进行细扫。21图18输入为1、0时对R2等于011附近细扫对比发现,当取R20102时低光强为037,高光强为1,比较理想。225功率合成51T型合成结构图19T型合成结构当输入为1和1时23图20未设置控制杆,输入为1、1时的输出输出光强稳定于13。对结构中央的介质柱半径进行扫描,从034到039。图21对中央介质杆半径R2从034扫描到039的输出根据结果可以看出当取半径为035时输出能量为1;取半径为0355时输出能量为2;我们取半径为0355,对输入光强分别为1、2时进行扫描。24图22R2为0355,对输入光强分别为1、2的扫描结果结果发现与预期输出3有025的差距。再检验取035时光强取1、2的输出。25图23R2为035,对输入光强分别为1、2的扫描结果输出155,与预期输出15有005的差距,这个误差已经比较理想,继续检验光强为1、3时的输出。图24R2为035,对输入光强分别为1、3的扫描结果输出为198,与2的预期很接近,相差002。再检验输入为1、4。26图25R2为035,对输入光强分别为1、4的扫描结果与目标值相差012。再检验输入为1、8时。27图26R2为035,对输入光强分别为1、8的扫描结果与预期值相差06。考虑到光波传播过程中的能量损耗,做1、2、4三位的D/A转换器,误差应该可以接受。现在讨论当其中一个分支为0时的输出。测试结果显示,在前面结构中,当两个输入光强分别为1、0时,输出只有025。于是我们考虑到要对其进行补偿,因为要综合3个比较器两个功率合成结构的输出进行补偿,我们将在第六章中整个结构下对其进行统一补偿的分析。286D/A转换光路设计2位D/A转换光路根据数字电路理论,可得出是A/D转换器的电路结构。以下是A/D转换的两种方案。如图8和图9中所示,D代表比较器。A代表模拟输出。C代表功率合成结构。我们构造的2位D/A转换光路结构如图。其中数字逻辑信号D2D1输入为图中D2、D1端口,模拟信号A输出为图中A端口。2位D/A转换光路结构图272位D/A转换光路结构D1D2A293位D/A转换光路3位D/A转换光路结构图283位D/A转换光路结构由左到右3个十字结构依次为比较器1、比较器2、比较器3。由下到上两个绿点为中心的结构依次是功率合成1、功率合成2。表2输入逻辑信号与输出模拟信号理论数值转换表逻辑信号输入D3(通过比较器3)逻辑信号输入D2(通过比较器2)逻辑信号输入D1(通过比较器1)模拟信号A输出00000011010201131004101511061117C1C2D1D2D3A输出30由于前面提到的在遇到0、1输入时,功率合成结构有比较大的误差,所以需要进行补偿。于是尝试第一种补偿方案,即,3号比较器补偿同相位同方向的03个标准光;2号比较器补偿同相位同方向的01个标准光;1号比较器补偿同相位同方向的01个标准光;功率合成结构1补偿05个标准光。结果如下表3输入逻辑信号与输出模拟信号实际转换情况A检验到第四组发现误差很大,预计输出3的情况,只能输出2334,连25都达不到。再尝试第二种补偿方案。3号比较器补偿同相位同方向的03个标准光;2号比较器补偿同相位同方向的01个标准光;1号比较器补偿同相位同方向的02个标准光;功率合成结构1补偿05个标准光。结果如下表4输入逻辑信号与输出模拟信号实际转换情况B逻辑信号输入D3(通过比较器3)逻辑信号输入D2(通过比较器2)逻辑信号输入D1(通过比较器1)功率合成C1输出A输出00003510725001100111250101881162101131712334逻辑信号输入D3(通过比较器3)逻辑信号输入D2(通过比较器2)逻辑信号输入D1(通过比较器1)功率合成C1输出总输出000035108850011001132901018811866011317126241000351416910110015055110188161191113171743731通过输出得出结论,应用现有方法构造光子晶体D/A转换光路没法达到高的转换精度,原因是由于光功率相加结构的相加效率以及对单一通道光的引导效率不高,导致补偿的方法可以解决其中几组输出的转换精度,但是其他输出就没法保证它的转换精度。327光路设计中的创新与特色总结本论文提出了利用二维光子晶体实现D/A全光转换器的结构方案。讨论了光子晶体波导中慢变结构对电磁波传输的影响,在前述参数设置下,01和03有两个传输窗口,设计了基于十字结构的比较器和非门,还对两种功率合成方法进行了分析和讨论。并进行了全光数模转换的实验研究和数据分析。介绍了光子晶体的基础理论和两种分析方法,并对RSOFT软件的使用进行了简要说明。论文第六章提出了两位、三位数模转换的光路结构,并对数据进行了分析和计算。设计过程中尝试采用内置持续发光激光器的办法来补偿波导中和通过逻辑门时的损耗。8设计中存在的问题与解决思想设计中发现,如果以功率作为信号的载体,功率合成是光子晶体集成光路中亟待解决的问题。我认为可以尝试其他载波形式,比如频率。或者设计一种缺陷结构,可以极大提高引导光的能力,使光在通过分叉结构时可以几乎100地进入其中指定的一路。设计中还发现当光路复杂起来之后,位相关系,和多光束干涉,会扰动光路输出,使得输出不准确,或者逻辑光路的响应时间延长。33【参考文献】1曾玉,张洪涛光子晶体及其研究J江西蓝天学院学报2008(10);123(2008增)023032安鹤男,欧阳征标,许桂雯,孙一翎,阮双琛,李景镇,张道中二维光子晶体结构参量对光子禁带特性的影响J光学学报0253223920040684253EILYABLONOVITCH,INHIBITEDSPONTANEOUSEMISSIONINSOLIDSTATEPHYSICSANDELECTRONICS,PHYSREVLETT1987,5820205920624SAJEEVJOHN,STRONGLOCALIZATIONOFPHOTONSINCERTAINDISORDEREDDIELECTRICSUPERLATTICES,PHYSREVLETT1987,5823248624895陈凯,盛秋琴,韩军,王晶光子晶体及其应用研究J光电子技术1005488X2003010016086SFANETAL,PHYS,REVLETT1997,7817329432977VIKOPPOPTLETT1998,2321170717098欧阳征标,李景镇光子晶体的研究进展J激光杂志,2000;21(2)469刘强,欧阳征标基于二维光子晶体“十字”结构的半加器J光子学报(2008)12增刊1510龚旗煌超快速低功率光子晶体全光开关研究进展J中国基础科学(2009)1131511石建平,陈旭南,张小玉,张磊,安卫军,秦涛光子晶体器件的研究进展及前景J纳米器件与技术16214776(2004)01101434致谢首先衷心感谢我的导师欧阳征标教授和许桂雯实验师。本论文正是在他们的悉心指导下才得以完成。从最初的选题和论文的研究,到最后的撰写工作,他们都倾注了大量的心血。他们严谨的治学态度,高尚的科学道德和对科学研究事业孜孜不倦的探索献身精神使我受益匪浅。在此,谨向老师表示我最真诚的感谢。我还要特别感谢光子技术实验室的刘强、曹恩文师兄,他们给予我学术细节和软件应用方面无微不至的指导帮助。感谢实验室全体老师和同学的帮助和支持。感谢我的父母在我成长道路上的一贯的关怀和帮助。最后向百忙之

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