光比较器设计研究

深圳大学本科毕业论文（设计）题目光比较器设计研究姓名专业电子科学与技术学院电子科学与技术学院学号指导教师职称教授、实验师20年05月18日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），题目光比较器设计研究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目录【摘要】1【关键词】1一、引言1二、光子晶体简介1（一）光子晶体的基本原理1（二）光子晶体的结构2（三）光子晶体的应用前景2三、RSOFT软件简介3（一）GLOBALSETTINGS设置3（二）非线性介质杆的设置4（三）输入光以及输出探测器的设置51输入光设置52输出探测器的设置6（四）PERFORMSIMULATION的设置6四、基本光学逻辑门7（一）与门7（二）或门7（三）异或门8五、光比较器8（一）第一类,101一位比较器102两位比较器11（二）第二类231一位比较器232两位比较器24（四）新型比较器24六、结束语29参考文献30致谢31【ABSTRACT】32【KEYWORDS】32深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第1页共32页光比较器设计研究电子科学与技术学院电子科学与技术专业王文强【摘要】光子晶体对光具有独特的局域、反射、传导、分束、耦合、调制、慢光等操纵能力,使其成为微/纳光电集成的重要材料之一。而比较器作为基本的逻辑单元，是业界应用极其广泛的标准元件。所以可以成功研制光比较器对于电子行业有着非凡的意义。本文系统的阐述了光子晶体的原理，并且通过RSOFT软件模拟构造了多种光比较器，并且对输出进行了模拟验证，这一研究将会为光逻辑器件奠定一定的基础。【关键词】光子晶体；比较器；缺陷；真值表；逻辑表达式；光学逻辑门。一、引言全光技术的发展是实现未来通信网络的重要基础随着通信技术正向着更优越方面发展，例如超高速、大容量，人们对信息的处理、信息的交换速度有了越来越高的要求，基于电子器件的交换技术，已存在瓶颈。光速是宇宙中最快的速度，所以利用光作为信息载体，其速度要远远超过目前半导体硅器件；此外，光在传输和转换时能量消耗低，用光来保存和传输信息可以解决很多用电很难解决的问题。因此，光通信必将成为未来的一个发展方向。类似与电子计算机的信息处理，全光信息系统同样需要通过一系列逻辑操作来实现处理和解决问题。全光逻辑门在寻址、光计算、时钟提取和信号再生中都有着广泛应用,引起了越来越多人们的关注到目前为止,人们通过各种方法来实现全光逻辑门,但是这些实现方式都有一定的限制,例如基于光纤非线性效应的全光逻辑门不利于微型化而半导体光放大器的自发辐射噪音无法很好的解决，会对结果产生很大影响等等基于光子晶体制作而成的器件普遍具有易于集成、抑制自发辐射等优势,使得人们有了利用它来制作光逻辑器件的设想并且在全光信息系统运算过程中，经常需要对两个光信号进行比较，以判断其相对大小或是否相等，此时就需要用到光比较器。此外，利用光比较器，可以构造出逻辑光路中的基本功能模块，例如数模转换器、模数转换器等等，用于信号之间的转换，进一步构造复杂的光学功能器件。因此，光比较器是全光逻辑器件以及全光信息交换中一种不可缺少的重要基本功能器件。基于此,本文首先介绍了一些其他研究人员构造出的基本逻辑门，在基本逻辑门的基础上，通过真值表、逻辑表达式，构造出三类一位以及二位的比较器，以及尝试了类似于模拟比较器的光比较器，并且对构建成功结构进行了输出验证。二、光子晶体简介（一）光子晶体的基本原理光子晶体是1987年提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以人为地控制光子深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第2页共32页的运动，从而搭建适当的光路，实现必要的器件。如何用二维光子晶体实现全光比较器逻辑器件，是我们研究的重点和目的。它是光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新理论，也是相关学科发展和高新技术创新的关键性基础材料。光子晶体也称为光子带隙材料，它的原理与晶体类似，晶体中的原子是周期性排列的，所以会使晶体中产生周期性的势场,当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射,从而形成能带结构。带隙可能存在于带与带之间，波如果落在带隙中将无法继续传播，无论什么波都将受到周期性的调制。光子晶体具体是指人工构造的介电常数在空间呈周期性排列而形成的结构。是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率的材料,高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙,从而控制着光在光子晶体中的运动。此外，如果在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，破坏周期性结构，那么与缺陷态频率吻合的光子将被限制在缺陷的位置，一旦偏离缺陷位置将迅速的衰减，这样就可以控制光波在缺陷中进行传输，它的另外一个优点是由于光子禁带的存在，即使让光波经过很大角度的弯曲处时，也几乎没有能量的损失。通过控制光子晶体的带隙以及带隙中的缺陷态可以很方便地控制一定频率的光子通过。加上光在介电材料里的传输速率和带宽都远远大于电子在金属中的传输速率和带宽。这一切决定了光子晶体有着广泛的应用前景。（二）光子晶体的结构光子晶体按照空间分布的周期性可以分为一维、二维和三维光子晶体，如图1所示。而其中就功能而言，一维和二维光子晶体应用最为广泛。其中一维光子晶体就是我们通常所说的光学多层膜，多层介质周期性地排列形成一维光子带隙，使某些频率范围的光子无法穿越，产生高效率的反射，有抗反射膜和全反射膜，二维的应用非常广泛，可作为波导元件、分光元件和干涉仪，三维光子晶体最为多样而且复杂，最简单的三维光子晶体可以想象成许多奈米尺寸的紧密而且周期地堆积的结构，随着角度变化，其反射光颜色会变化。而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。本论文所应用的是二维光子晶体对二维光子晶体而言，在微波以及光频波段，其加工技术已经十分成熟，尤其是随着微纳米加工技术的不断发展，二维光子晶体器件性能越来越可靠，此外由于其所利用的材质与已形成工业化生产的半导体光电材料一致，所以应用前景更加广泛。更为实现光电集成提供了可能在光子晶体内，存在着二维光子带隙和导带的调控。二维光子晶体与普通光子晶体控制光子传播行为的手段是一致的。设计光子晶体带隙通常的做法是降低晶体原子构型的对称性。在二维情况下，晶体元胞里引入两个圆柱体，通过调节两个柱体尺寸的比例，可以较好地设计出完全带隙的光子晶体。（三）光子晶体的应用前景深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第3页共32页光子晶体能够控制光的传播，所以它的应用十分广泛。在光子晶体中引入一个点缺陷，可制成高品质谐振腔，这种谐振腔可以改变原子的自发辐射；在光子晶体中引入线缺陷，可制成新型波导，这种波导无弯曲损耗。光子晶体的结构比较简单，而且依靠自身结构就可实现带阻滤波。在微波电路、微波天线、全光信息处理等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才起步不久，尤其在光子晶体全光逻辑器件方面的研究还存在许多空白，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。除上述重要应用外，光子晶体还存在着其它众多的重要应用，如光子存储器、极宽带滤波器、无损耗反射镜、光子偏振器等。由于光子晶体具有优越的性能，大多数传统光学产品将被光子晶体器件取代，并将实现集收集、处理、传输于一身的光学系统。光子晶体只有近十年的发展历史，所以还有大量的课题有待研究。光子晶体领域的最新发展不断地激发着科学家和工程师的想象力和创造力，可以预见，光子晶体技术的发展终将导致光学、光电子学、信息科学以及整个电子行业革命性的变革。二、RSOFT软件简介从事光电子相关行业必须要掌握光电器件的原理以及应用方法，应该可以熟练的运用仿真软件进行实验。在本毕业设计中，通过这一个器件的研究，触类旁通，达到对同类的器件都有所了解。RSOFT软件对与光子晶体的研究起着非常重要的作用，并且本论文所有的实验均为以它为基础研究的，所以以下为对此软件应用的一下方面进行简单的介绍。以下为RSOFT软件的主页面图2RSOFT软件的主页面（一）GLOBALSETTINGS设置深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第4页共32页图3GLOBALSETTINGS设置点击GLOBALSETTINGS按钮后会出现上图所示框，WEAVEGUIDEMODELDIMENSION用于设置光子晶体的维度，本论文使用为2维，所以点击2D按钮；BANDSOLVE按钮用于扫描禁带时使用；BACKGROUNDINDEX用于设置低折射率介质（周围环境介质）的折射率，本论文选为空气，所以将其设置为1；INDEXDIFFERENCE用于设置高折射率于低折射率之差，由于本文高折射率介质选为硅，且其折射率为34，所以INDEXDIFFERENCE硅折射率空气折射率34124；WAVEGUIDEWIDTH用于设置波导宽度，本文设置为04PERIOD；FREESPACEWAVELENGTH用于设置工作波长，由以上各参数设置可算出FREESPACEWAVELENGTH为1/0336PERIOD，即29762。（二）非线性介质杆的设置首先右键点击所要设置的晶体光子，将弹出下图的对话框图4非线性介质杆的设置深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第5页共32页点击MATERIALPROPERTIES右边下拉菜单，选择NEWMATERIAL后将出现下面对话框图5点击NEWMATERIAL后的会话框点击NEWMATERIAL将新建一个材料类型，EPSILONATINFINITY用于设置频率无穷大处的相对介电常数，本文设置为35；CHI2用于设置二阶归一化非线性系数，本文设置为001；CHI3用于设置三阶归一化非线性系数，本文设置为04；CHI3SATURATIONCOEF设置为01。（三）输入光以及输出探测器的设置1输入光设置点击左边控件栏上见的EDITLAUNCHFIELD,弹出下面对话框，将在其中进行输入光设置图6输入光设置点击NEW新建一个光发生器，TYPE用于设置光的类型，本文全部采用高斯模式，X，Z用于设置发光器的位置；PHI用于设置发光的角度；WIDTH用于设置光的宽度；POWER用于设置光的功率强度。深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第6页共32页2输出探测器的设置点击界面上方OPTIONS，选择INSERTTIMEMONITOR，将弹出以下界面图7输出探测器的设置其中WIDTH、HEIGHT用于控制探测器的宽度和大小；X、Z用于设置探测器的位置；TIMEMONITORTYPE用于设置测量的类型，本为选为POWER；TIMEAVERAGE选为YES。（四）PERFORMSIMULATION的设置点击左面控件的PERFORMSIMULATION将弹出以下界面图8PERFORMSIMULATION的设置TIMESTEP用于设置测量步长；STOPTIME用于设置测量时间；OUTPUTPREFIX用于设置输出文件的名字（输出文件为测量功率的二维图表）；其他设置均为默认设置即可。深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第7页共32页四、基本光学逻辑门（一）与门用RSOFT软件构造右图所示的“与”门结构，实施参数如下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BACKGROUNDINDEX为1，INDEXDIFFERENCE为24）设晶格常数PERIOD为1，波导宽度WAVEGUIDEWIDTH为04PERIOD高折射率线性介质柱的半径RADIUS为018，阵列数选为1717,可计算出工作波长FREESPACEWAVELENGTH为1/0336PERIOD，即29762出口处两个交叉线圆柱是克尔非线性介质杆，克尔非线性介质杆的半径RADIUS为018,设频率无穷大处的相对介电常数EPSILONATINFINITY为35，二阶归一化非线性系数CHI2为001,三阶归一化非线性系数CHI3为04，CHI3SATURATIONCOEF为01，其余参数不变。设一探测器TIMEMONITER在出口处（绿色），监视输出功率POWER变化情况。其中，实心圈表示线性介质杆（除中间大圆柱外），而两个交叉线圆柱以及中间大圆柱表示克尔型非线性介质杆以下结构中都有由相互垂直的两个线缺陷构成的“十字”波导用平面波展开法可算出上图所示结构的光子禁带的波长范围是2250A3304A。图9与门结构（二）或门用RSOFT软件构造右图所示的“或”门结构，实施参数如下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，设晶格常数PERIOD为1，高折射率线性介质柱的半径RADIUS为018，阵列数选为1717,可计算出工作波长FREESPACEWAVELENGTH为1/0336，即29762。中部圆柱是引导柱，杆的半径都为0292。“或”逻辑门的输入端为1、2，输出端为3深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第8页共32页图10或门与异或门结构（三）异或门“异或”逻辑门与或门的结构一样，只是它的的输入端分别为1、2,输出端为4五、光比较器比较既是一个十分重要的概念，也是一种基本的操作，人只能在比较中识别事物，计算机只能通过比较识别数据与代码，实现比较操作的电路叫做比较器从2005年到2006年，比较器的市场增长已超过了20，所以可以得知比较器对于整个市场的重要性越来越高。比较器其实可看成一个能够作逻辑“决策”的逻辑输出电路。换句话说，它可把输入信号与已定义的参考电平进行比较。比较器的逻辑输出功能可以帮助用户设计具有多样化的额外功能电路。而且，无论是高速ADC、SAR型ADC还是SIGMADELTAADC，比较器都是组建集成ADC的内部基本而又关键的模块。如今，比较器是业界应用极其广泛的标准元件。比较器具有外部滞后、锁存、灵活的电源电压和输出配置等多项功能和特性。此外，对比较器的传播延迟、消散、触发率或精准失调等关键参数可以满足一系列高性能应用的需求，例如电平平移、电源监测、时钟/数据缓冲以及接收和触发等。虽然运算放大器也可用作比较器，但在应用时需要加倍小心才能确保器件的正常。原始的比较器主要分为两大类A模拟比较器将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高或低电平反之,则输出低或高电平。所以它是需要一个跳变点的电路，即当输入高于阈值时即刻就可以输出判决信号。例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准代表某一温度,当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通。这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器。有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第9页共32页图11由运算放大器组成的差分放大器电路上图由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压VOUT与VA、VB及4个电阻的关系式为VOUT1RF/R1R3/R2R3VARF/R1VB。若R1R2，R3RF，则VOUTRF/R1VAVB，RF/R1为放大器的增益。当R1R20相当于R1、R2短路，R3RF相当于R3、RF开路时，VOUT。增益成为无穷大，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而VOUT输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。B数字比较器用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出或低高电平,反之,则输出相反的电平；同样也可以比较两个二进制数的大小，当一个输入大于（小于）另外一个输入的时候，输出高电平，反之输出低电平。本文则是利用光实现数字比较器的功能，光相对于电子有很多优势，但同时光学在这方面的研究仍然没有成熟。很早国外针对光比较器的结构及功能展开了广泛的研究。而国内发展较慢，主要工作集中在理论分析和计算机仿真上，实验研究则相对较少。目前已研究的光比较器，按实现光比较器的原理来分，基本上可分为基于S0A的高非线性效应、串并转换、大规模集成电路VLSI；按结构分为SOAMZI结构、TOAD结构、FBG。目前，关于光比较器还没有严格的定义，实现光比较器的方案很多，没有系统的性能指标。我们提出的用二维光子晶体实现光比较器，是一种新的思路。下面介绍一些基本的性能指标1被比较数据包的长度和速率。这是衡量比较器处理信号能力的重要指标。2判决功能。这个是比较器的最基本的功能，也就是当两个输入端存在某种大小或者逻辑关系的时候，输出要有一个信号来区分它们的具体关系。3误判率。是指比较器判决出错的概率,它是衡量比较器可靠性的指标。4噪声容限。指在保证比较器能够正确判决的情况下,允许输入的最大噪声,是对输入信号信噪比提出的要求。5输入信号的功率容限。功率容限是指能够使比较器正常工作的最大与最小功率。6可调节性。在复杂的通信网中，要求比较器具有很强的可调节性,增加器件的利用率,简化系统。光比较器的基本功能就是将输入的光数据包与基准的数据包进行比较，输出一个判决信号。基准数据包可由本地的另一个数据源产生，或者由其他特定的匹配装置产生。无论什么样的光比较器，其功能深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第10页共32页模型都如图12所示。功能模型A是速率及编码格式均相同的两路数据包同步输入比较器，当两数据包完全相同相异时，比较器输出一个脉冲作为判决信号，否则输出为“0”功能模型B是被比较数据包注入分配了特定数据包信息的装置。当被比较数据包信息与特定数据包信息一致时，装置输出干涉或相关函数峰值作为判决脉冲。图12光比较器功能模型由于光子晶体的特有性质，使得可以利用光子缺陷人为控制光路的走向，形成具有一定判断规律的逻辑器件或开关，进而形成逻辑门的功能。比较器又是建立在逻辑门基础上的，可以利用设计出来的单个逻辑门，实现更为复杂结构的各种器件。比较器大致可以分为三类第一类,；第二类首先我将利用基础逻辑“与”门、“异或”门、“或”门，或变异结构，分别构造以上三类门（一）第一类,1一位比较器真值表如下表1第一类一位比较器真值表逻辑关系式为YAB其中表示异或基本逻辑结构一位异或门构造图为下图ABY000011101110深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第11页共32页图13第一类一位比较器结构图参数设置与前面所讲的异或门完全一样，并且有其结果可知，此一位比较器构造成功，结果与预期完全符合。2两位比较器真值表如下（数据A1A2与B1B2比较）表2第一类两位比较器真值表A1A2B1B2Y0000000011001010011101001010100110101111100011001110100101111100111011深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第12页共32页1110111110逻辑关系式YA1B1A2B2其中表示异或，所以此次构造需要两个异或门与一个与门。构造图如下图14第一类二位比较器结构图首先左下角的结构为A1与B1的异或，输出向上，右上角为A2与B2的异或，输出向左，最后之前两个门的结果进入左上角的与门，以达到真值表的逻辑。下面是此两位比较器的输出结果（1）设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图15输入A1A2B1B20000时输出图像深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第13页共32页2设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图图16输入A1A2B1B20001时输出图像3设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图17输入A1A2B1B20010时输出图像4设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第14页共32页图18输入A1A2B1B20011时输出图像5设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图19输入A1A2B1B20100时输出图像6设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图图20输入A1A2B1B20101时输出图像深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第15页共32页7设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图21输入A1A2B1B20110时输出图像8设输入源A1处,POWER0,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图图22输入A1A2B1B20111时输出图像9设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第16页共32页图23输入A1A2B1B21000时输出图像10设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图图24输入A1A2B1B21001时输出图像11设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图25输入A1A2B1B21010时输出图像深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第17页共32页12设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER0；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图图26输入A1A2B1B21011时输出图像13设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图27输入A1A2B1B21100时输出图像14设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER0,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第18页共32页图28输入A1A2B1B21101时输出图像15设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER0记录图象及输出口功率数值如下图图29输入A1A2B1B21110时输出图像16设输入源A1处,POWER1,输入源A2处,POWER1；输入源B1处,POWER1,输入输入源B2处,POWER1记录图象及输出口功率数值如下图深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第19页共32页图30输入A1A2B1B21111时输出图像（二）第二类1一位比较器表5第三类一位比较器真值表ABY001011100111深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第24页共32页由真值表可得到A，所以YB；由逻辑表达式可以看出，第三类一位比较器与第二类一YBA位比较器很相似；我们只需将两个输入对换，即可得到结构。结构图以及输出结果与其一致，所以这里不做赘述。2两位比较器真值表如下表6第三类二位比较器真值表A1A2B1B2Y00000000100010000110010010101001100011101000110011101001011011001110111110111110化简之后得到逻辑表达式为YA1A2A1），由逻辑表达式可以看出，第三类两位比1B2较器与第二类两位比较器很相似；只是需要将A1与B1输入对换，同时将A2与B2输入对换，即可得到结构与输出结果，这里不再赘述。（四）新型比较器以上我通过基本逻辑门构造出了三类比较器，这些比较器时类似于数字形式的比较器，对于固定的逻辑0或1做比较是可以的，但是不能很好的人为控制比较点。下面将通过尝试构造出新型的，类似于模拟比较器的光比较器。下图为谐振曲线与设想的十字一位比较器的结构（POUT为参考光输出功率，PIN为控制信号光输入功率，PO为参考光输入功率，且参考光P01,控制光PIN为可变参数。MONITOR监测记录POUT的值）深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第25页共32页图37谐振曲线与设想的十字一位比较器的结构它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，水平谐振腔失谐，变成谐振腔，发生谐振遂穿，垂直通道打开，输出为逻辑1。腔的参数和谐振曲线的锋锐程度将影响阈值的值。首先我们的目的找突变点P1。通过设置中部缺陷介质杆（蓝色）直径或非线性参数，使得入射光在P1处出现跳变点。所谓的跳变点为POUT突然变大的缺陷杆参数值。而谐振点为PIN与POUT值可以同时很大的缺陷杆参数值。以上结构基本参数首先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，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，参数设置为设频率无穷大处的相对介电常数EPSILONATINFINITY为315，二阶归一化非线性系数CHI2为0,三阶归一化非线性系数CHI3为0。黄色为微调介质杆，半径RADIUS2为018。设一个探测器TIMEMONITER在出口处（绿色），监视输出POWER，并记录下来。调试过程如下1首先其他参数不变，设置一个变量BJ，将中部蓝色圆柱的半径设置为变量BJ，两个输入端功率均设置为1，用SCANVARIABLE工具，BJ在区域01503扫描，间隔取0001，记录POUT值曲线如下深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第26页共32页图38扫描半径输出图像由上图可知，当半径取值为025195时，出现谐振点。2首先将中部蓝色圆柱的半径值设置为第一步得到的值，即025195，其他参数不变。定义变量BC，将FREESPACEWAVELENGTH改为1/BCPERIOD，其他参数不变，用SCANVARIABLE工具，BC在区域032035扫描，间隔取0002，记录POUT值曲线如下图39扫描波长输出图像由于上图为粗扫，所以再将BC在区域03340338进行细扫，间隔取00005，POUT值曲线如下深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第27页共32页图40细扫波长后输出结果由结果可以得到，在BC取0336的时候，存在谐振点。3将FREESPACEWAVELENGTH改为1/0336PERIOD，即第二部得到的结果，设置变量EPS，将中部圆柱频率无穷大处的相对介电常数EPSILONATINFINITY设置为EPS变量，其他参数与第二部相同，用SCANVARIABLE工具，EPS在区域25扫描，间隔取01进行粗扫，记录POUT值曲线如下图41扫描EPS后输出图像再将EPS在区域2934进行细扫描，间隔取0001，POUT值曲线如下深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第28页共32页图42细扫EPS后输出图像4经过很多组数据的尝试（主要变化中部圆柱频率无穷大处的相对介电常数EPSILONATINFINITY和CHI3），得到以下数据A当EPSILONATINFINITY311CHI300011图43当EPSILONATINFINITY311CHI300011时输出图像B当EPSILONATINFINITY311CHI300013图44当EPSILONATINFINITY311CHI300013时输出图像深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第29页共32页C当EPSILONATINFINITY3195CHI30001图45当EPSILONATINFINITY3195CHI30001时输出图像可以得到以下结论固定EPSILONATINFINITY而增加CHI3的数值时，最高点会向左平移，同时输出功率有所下降；而固定CHI3，增大EPSILONATINFINITY时，输出图像的跳变点会向左平移，同时输出功率值会下降。虽然输出图像已经出现了预期的效果，但是明显看出存在着一些问题，例如输出功率不够高，对比度不够好，以及跳变点不够明显等问题。六、结束语经过了半年的辛勤努力，终于对于本课题有了一定得结果，在研究的过程当中有过无数次的失败，但我们没有放弃，而是在老师的细心教导下不断的尝试，下面将总结下获得的结果A第一类比较器一位和二位结构构建成功，并且逻辑输出值与预期效果一致。B第二类比较器一位和二位结构构建成功，并且一位输出结逻辑值与预期一致，但是二位比较器没有做出理想的输出结果。（主要是因为相位延迟以及光损耗导致）C第三类结果与第二类一致D新型比较器的结构构造成功，通过对本课题的研究，使我深入了解了光子晶体的概念、结构以及应用，学会了使用光子晶体搭建光学逻辑门，以及使用光学逻辑门组建更为复杂的光学器件。毕业设计不仅仅使我学习了光子晶体的相关者知识，更重要锻炼了我的分析和研究的能力，让我学会怎样从一个陌生的课题，慢慢深入，以达到研究的目的，这将是我受益一生的财富。深圳大学本科毕业论文光比较器设计研究第30页共32页参考文献【1】王亚平等用于帧头识别的全光比较器的最新研究进展半导体光电，2008，29（5）【2】曾玉，张洪涛光子晶体及其研究江西蓝天学院学报，200810，增【3】许桂雯，欧阳征标三种缺陷态光子晶体的比较研究深圳大学学报理工版，2004，21（4）【4】欧阳征标，李景镇光子晶体的研究进展激光杂志，2000，21（2）【5】欧阳征标，刘海山等光子晶体超窄带滤波器光子学报，2002，31（3）【6】叶妹，韩曙开关级数字比较器设计研究电子学报，19985，5【7】祁建霞光子晶体及其应用西安邮电学院学报，2007，12（5）【8】黄侃，李海林，龙清光子晶体与光子晶体光纤舰船电子工程，2008年，1【9】刘娅钊，李志远光子晶体集成光电子器件物理学和高新技术，2008，37（9）【10】田洁，韩守振，程丙英等物理学报，2005541218【11】光子晶体词条HTTP/BAIKEBAIDUCOM/VIEW/98845HTM【12】光子晶体词条HTTP/IASKSINACOMCN/B/7509150HTMLFROMRELATED【13】阿不都热苏力新型的光子晶体材料HTTP/WWWDZSCCOM/DATA/HTML/2007430/38816HTML【14】方云团,沈廷根,谭锡林一维光子晶体掺杂缺陷模研究J光学学报,2004,241115571560【15】CEBROWSKI,ARTHURK,VADM,US