da轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　深 圳 大 學(xué)</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題目: D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì) </p><p>　　姓名: </p><p>　　專(zhuān)業(yè): 光信息科學(xué)與技術(shù)

2、</p><p>　　學(xué)院: 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　學(xué)號(hào): </p><p>　　指導(dǎo)教師: </p><p>　　職稱(chēng)： 教授、實(shí)驗(yàn)師 </p><p>　　20 年 05 月 17 日</

3、p><p>　　深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)），題目《 D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì) 》是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果。</p><

4、p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：</p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要 4</b></p><p>　　第一章 光子晶體與D/A轉(zhuǎn)換5</p><p>

5、　　1.什么是光子晶體5</p><p>　　2.光子晶體的性質(zhì)5</p><p>　　3.光子晶體的分類(lèi)和應(yīng)用6</p><p>　　4. D/A轉(zhuǎn)換原理和光子晶體D/A轉(zhuǎn)換器6</p><p><b>　　5.設(shè)計(jì)任務(wù)7</b></p><p>　　第二章 計(jì)算模擬方法和工具8&l

6、t;/p><p><b>　　1.算法9</b></p><p>　　2.Rsoft軟件9</p><p>　　第三章 模塊中的導(dǎo)波分析12</p><p>　　1. 直波導(dǎo)中慢變結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸?shù)挠绊?2</p><p>　　2. 波導(dǎo)中直角對(duì)光傳輸?shù)挠绊?3</p><p

7、>　　第四章 十字結(jié)構(gòu)下的非門(mén)和比較器15</p><p>　　1.結(jié)構(gòu)、參數(shù)和原理15</p><p><b>　　2.非門(mén)16</b></p><p><b>　　3.比較器18</b></p><p>　　第五章 功率合成20</p><p><b

8、>　　1.T型合成20</b></p><p>　　第六章 D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì)25</p><p>　　1.二位D/A轉(zhuǎn)換25</p><p>　　2.三位D/A轉(zhuǎn)換26</p><p>　　第七章 光路設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新與特色總結(jié)28</p><p>　　第八章 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與解決思想28

9、</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p>　　Abstract.31</p><p><b>　　D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 光信息科

10、學(xué)與技術(shù) 李開(kāi)明</p><p>　　學(xué)號(hào)：2005111146</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　光子晶體D/A轉(zhuǎn)換光路是未來(lái)信息處理、數(shù)字光信號(hào)輸出、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。本論文論述了在光子晶體環(huán)境下，D/A轉(zhuǎn)換的原理和設(shè)計(jì)方法。討論了波導(dǎo)和光子晶體中慢變結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊懀兄屏嘶谑纸Y(jié)構(gòu)的比較器，

11、還對(duì)功率合成方法進(jìn)行了分析和討論。并進(jìn)行了基于光子晶體數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　論文第二章介紹了光子晶體的基礎(chǔ)理論和兩種分析方法，并對(duì)Rsoft軟件的使用進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。</p><p>　　論文第四章闡述了比較器的原理，設(shè)計(jì)調(diào)試了基于十字結(jié)構(gòu)的比較器。</p><p>　　論文第六章提出了兩位、三位數(shù)模轉(zhuǎn)換的光路結(jié)構(gòu)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和

12、計(jì)算，實(shí)驗(yàn)顯示現(xiàn)有條件下光子晶體數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度不夠理想，光強(qiáng)合成部分是一個(gè)瓶頸需要研究解決。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】光學(xué)D/A變換器、光學(xué)比較器、光學(xué)邏輯、光子晶體、光學(xué)集成線路</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　人類(lèi)科技不斷發(fā)展，集成電路應(yīng)用到了生活的各個(gè)方面，電路的載流子是電子和空穴，由于它們有靜止質(zhì)

13、量和相互之間的庫(kù)侖力作用使得微電子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展受到了限制。與電相比光速快、相互作用小、不發(fā)熱，因此光作為信息的載體有著很大優(yōu)越性。作為全光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵器件之一，全光邏輯門(mén)在尋址、光計(jì)算、時(shí)鐘提取和信號(hào)再生中都有廣泛應(yīng)用。光子晶體材料由于可以產(chǎn)生光子禁帶，所以可以利用禁帶對(duì)光路進(jìn)行約束構(gòu)建光子晶體光路。本文介紹了一種基于光子晶體材料以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光信號(hào)到模擬光信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換的光路結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1 光子晶體與

14、D/A轉(zhuǎn)換</p><p>　　1.1 什么是光子晶體</p><p>　　光子晶體是高介電常數(shù)介質(zhì)與低介電常數(shù)介質(zhì)在空間周期性排列的人造晶體，其晶格常數(shù)與工作波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)。最早在1987年，S.John和Yablonovitch分別獨(dú)立在研究光子局域形態(tài)隨折射系數(shù)的變化關(guān)系和材料的輻射性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)呈周期變化的結(jié)構(gòu)會(huì)使材料中光子模的性質(zhì)發(fā)生變化，從而提出了“光子晶體”的概念。在

15、半導(dǎo)體材料中，電子傳播時(shí)受到原子周期性排列所形成的周期性勢(shì)場(chǎng)調(diào)制作用而產(chǎn)生能隙。類(lèi)似的，電磁波在介電函數(shù)周期性變化的材料中傳播時(shí)，由于空間周期性分布的介電常數(shù)對(duì)電磁波的調(diào)制作用同樣會(huì)產(chǎn)生能隙。當(dāng)電磁波頻率落在光子晶體禁帶中時(shí)，由于光子晶體的強(qiáng)烈布拉格散射使電磁波全部被反射而不能傳播。光子晶體的禁帶通常出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上，它不僅與光子能量有關(guān)還與光子的傳播方向有關(guān)。如果在空間的所有方向上都有帶隙，并且相同方向上帶隙互相重疊，則稱(chēng)為完全

16、帶隙。如果帶隙并不完全重疊，或只在特定方向上才有帶隙，則稱(chēng)為不完全帶隙。在光子晶體中引入缺陷，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)缺陷能級(jí)，并影響光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。1991年，Yablonovitch及其合作者研制出第一塊光子晶體。他們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為亞布隆挪威特結(jié)</p><p>　　1.2 光子晶體的性質(zhì)</p><p>　　光子晶體最根本特征是具有禁帶，光在禁帶中是嚴(yán)格禁止傳播的。一般來(lái)說(shuō)，光子晶體的兩種

17、介質(zhì)介電常數(shù)差越大，越容易出現(xiàn)光子禁帶。結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性引起的能帶簡(jiǎn)并也會(huì)影響光子禁帶。研究表明，光子禁帶可以抑制自發(fā)輻射。當(dāng)原子自發(fā)輻射的光頻率正好落在禁帶中時(shí)，光子態(tài)數(shù)目為零，因此自發(fā)輻射幾率為零。相反光子晶體也可以增強(qiáng)自發(fā)輻射，比如在光子晶體中加入雜志，引入雜質(zhì)態(tài)。光子晶體還有光子局域的特性。與半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)類(lèi)似，可以在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷能級(jí)。與缺陷能級(jí)吻合的光子被限制在缺陷位置。利用點(diǎn)缺陷可以把光俘獲在特定位置，類(lèi)似于微腔

18、。光子晶體還可以通過(guò)調(diào)整缺陷的結(jié)構(gòu)和位置控制缺陷能級(jí)在光子能帶中的位置。本論文的D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì)，主要就是對(duì)這個(gè)性質(zhì)的應(yīng)用。</p><p>　　1.3 光子晶體的分類(lèi)和應(yīng)用</p><p>　　按照介電常數(shù)的空間分布周期性，光子晶體可以分為一維、二維、三維光子晶體。</p><p>　　由于光子禁帶中沒(méi)有光子態(tài)，所以一束在禁帶頻率范圍內(nèi)的光子入射到光子晶體上時(shí)會(huì)

19、被完全反射回去，利用這一點(diǎn)可以制造出高效率低損耗反射鏡。</p><p>　　應(yīng)用光子晶體還可以制作品質(zhì)因數(shù)很高的微諧振腔。</p><p>　　利用光子禁帶可以使發(fā)光二極管發(fā)出的光沿特定方向輻射出去的原理，將發(fā)光二極管發(fā)光中心放入一塊特制光子晶體可以制造高效率發(fā)光二極管。實(shí)驗(yàn)表明加入光子晶體后發(fā)光二極管效率會(huì)從10%提高到90%以上。</p><p>　　在激光其

20、中引入光子晶體還可以實(shí)現(xiàn)低閾值激光震蕩。這是因?yàn)楫?dāng)光子晶體禁帶頻率與激光工作物質(zhì)自發(fā)輻射頻率一致時(shí)，激光自發(fā)輻射頻率就會(huì)很低，相應(yīng)損耗也會(huì)大大降低，從而降低激光閾值。</p><p>　　利用光子晶體的禁帶特性還可以制造寬帶帶阻濾波器和極窄帶選頻濾波器等。</p><p>　　1.4 D/A轉(zhuǎn)換原理和光子晶體D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　數(shù)字化使人類(lèi)發(fā)展產(chǎn)生巨大

21、變化。我們親身經(jīng)歷的數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，目睹了它全面滲透到了社會(huì)生活的方方面面。我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在享受數(shù)字時(shí)代帶給我們的方便快捷。由于生活中很多物理量是模擬量，為了使數(shù)字系統(tǒng)能夠處理模擬信號(hào)，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)數(shù)字系統(tǒng)處理后有時(shí)還需要將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。在光子晶體中有時(shí)就需要將數(shù)字光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬光信號(hào)，就是本論文研究的數(shù)模轉(zhuǎn)換光路。</p><p>　　數(shù)模轉(zhuǎn)換又稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換，他是把數(shù)字

22、量轉(zhuǎn)換成模擬量的方法。電子D/A轉(zhuǎn)換器一般包括4個(gè)部分，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開(kāi)關(guān)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器常用在控制計(jì)算機(jī)輸出，也用在有反饋結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。</p><p>　　串行數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖序列的數(shù)目，一個(gè)脈沖相當(dāng)于數(shù)字量的一個(gè)單位，然后將每個(gè)脈沖變?yōu)閱挝荒M量，并將所有的單位模擬量相加，就得到與數(shù)字量成正比的模擬量輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。</p><

23、p>　　例如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其每一位電阻值與二進(jìn)制每一位位權(quán)值相對(duì)應(yīng)。輸出模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量。權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸入數(shù)字信號(hào)位數(shù)較多時(shí)電阻阻值范圍非常大要保證每個(gè)極高精確度極為困難，所以這種結(jié)構(gòu)不利于集成電路制造。</p><p>　　T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它只用了R和2R兩種阻值的電阻，精度易于提高，適合制造集成電路。但是它的缺點(diǎn)是需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，所以當(dāng)輸入信號(hào)較多時(shí)將會(huì)影響

24、數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作速度。</p><p>　　光子晶體有關(guān)基本原理特性及制備方面目前已有較多深入研究，但是關(guān)于光子晶體邏輯器件的設(shè)計(jì)，和光子晶體目前的應(yīng)用研究還很不夠。作為未來(lái)光子計(jì)算機(jī)和全光集成的基本模塊，光子晶體邏輯器件的設(shè)計(jì)具有重要的意義。我認(rèn)為光子晶體的制備和光子晶體邏輯光路的設(shè)計(jì)，以及光子晶體在光路集成中可能需要解決的問(wèn)題，需要共同發(fā)展，否則單純地發(fā)展制造光子晶體就失去了光子晶體研究的本來(lái)意義。</p

25、><p>　　本論文根據(jù)數(shù)字電路D /A轉(zhuǎn)換器的基本原理，利用二維光子晶體特性提出光子晶體全光A/D 轉(zhuǎn)換器模塊構(gòu)想。以下是我們?cè)O(shè)計(jì)的D /A轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)示意圖。</p><p>　　圖1：D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意</p><p>　　B3、B2、B1代表光學(xué)加法模塊，D3、D2、D1表示數(shù)字信號(hào)輸入，A表示模擬信號(hào)輸出。</p><p><b&g

26、t;　　1.5 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　應(yīng)用平面波展開(kāi)法FDTD（時(shí)域有限差分）模擬和Rsoft軟件模擬一種二維光子晶體D/A轉(zhuǎn)換光路；</p><p>　　設(shè)計(jì)調(diào)試出基于十字結(jié)構(gòu)的比較器；</p><p>　　將調(diào)試出的3個(gè)比較器組合成3位D/A轉(zhuǎn)換光路；</p><p>　　列出邏輯關(guān)系表，根據(jù)邏輯關(guān)系表對(duì)整體結(jié)

27、構(gòu)的輸出進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試。</p><p>　　2 計(jì)算模擬方法和工具</p><p><b>　　2.1 算法</b></p><p>　　平面波展開(kāi)法是最常見(jiàn)的計(jì)算光子晶體的方法之一。他把周期性變化的介電常數(shù)按傅里葉變換展開(kāi)，再把電場(chǎng)矢量以布洛赫波展開(kāi)，將光子晶體中的電磁場(chǎng)分布和周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)表示為平面波的疊加，帶入麥克斯韋方程組。通過(guò)求

28、解矩陣特征值和特征向量可以得到光子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖和電磁場(chǎng)所有模式的空間分布。這種方法原理簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，直到目前仍然是光子晶體設(shè)計(jì)的主流方法之一。</p><p>　　但是平面波展開(kāi)法的前提條件是介電常數(shù)必須是周期性的，所以用它計(jì)算有缺陷的光子晶體就受到了限制。</p><p>　　90年代中期時(shí)域有限差分法被引入光子晶體研究領(lǐng)域，它將光子晶體劃分成許多小格，對(duì)麥克斯韋方程兩個(gè)旋度方程進(jìn)行

29、有限差分，然后加入周期性邊界條件，根據(jù)網(wǎng)格空間和時(shí)間步長(zhǎng)所滿(mǎn)足的數(shù)值穩(wěn)定性條件關(guān)系，模擬出電磁波傳播和與介質(zhì)相互作用的過(guò)程。它可以進(jìn)行時(shí)域仿真，動(dòng)態(tài)顯示光場(chǎng)傳播行為。但是不能用于三維光子禁帶結(jié)構(gòu)計(jì)算。</p><p>　　2.2 Rsoft FullWAVE軟件</p><p><b>　　2.2.1 簡(jiǎn)介</b></p><p>　　Full

30、WAVE是一個(gè)非常復(fù)雜的模擬工具，用來(lái)研究在各種光子結(jié)構(gòu)中傳播的電磁波，包括綜合性光纖波導(dǎo)器件以及電路和納米光子的設(shè)備，如光子晶體。 軟件利用時(shí)域有限差分法 (FDTD)模擬全矢量光子結(jié)構(gòu)。FullWAVE屢獲殊榮的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和功能設(shè)置，是光學(xué)器件模擬工具市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。</p><p>　　圖2：FullWAVE模擬光子帶隙Y分支結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2 使用步驟</p&g

31、t;<p>　　首先需要設(shè)置光子晶體的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3：晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)置</p><p>　　再設(shè)置光子晶體參數(shù)。</p><p>　　圖4：光子晶體參數(shù)設(shè)置</p><p>　　參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好了開(kāi)始掃描。</p><p><b>　　圖5：掃描設(shè)置</b></

32、p><p>　　需要指出的是，在FullWAVE軟件中，所有光源是以1號(hào)光源為強(qiáng)度1的歸一化，所以計(jì)算中的結(jié)果都是相對(duì)1號(hào)光源強(qiáng)度的相對(duì)光強(qiáng)，沒(méi)有單位。如果改變了1號(hào)光源的大小，相應(yīng)的結(jié)果要乘以一號(hào)光源的設(shè)置值。</p><p>　　3 模塊中的導(dǎo)波分析</p><p>　　3.1 直波導(dǎo)中周期性介質(zhì)桿結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸?shù)挠绊?lt;/p><p><

33、b>　　結(jié)構(gòu)如下</b></p><p>　　圖6：直波導(dǎo)中周期性介質(zhì)桿結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　線性高折射率的介質(zhì)柱（紅色圓柱）選為硅（Si）材料，低折射率介質(zhì)（周?chē)h(huán)境介質(zhì)）選為空氣，折射率分別為3.4和1（即Index difference為2.4），設(shè)晶格常數(shù)period

34、為1，高折射率線性介質(zhì)柱的半徑Radius為0.18，工作波長(zhǎng)Free Space Wavelength為2.9762.</p><p>　　黃色為微調(diào)介質(zhì)桿，半徑Radius1初始0.18，待測(cè)。</p><p>　　圖7：周期性介質(zhì)桿半徑對(duì)光波傳播的影響</p><p>　　結(jié)果顯示POS取0.5時(shí)有最大輸出光強(qiáng)。</p><p>　　再

35、對(duì)5個(gè)線性介質(zhì)柱的半徑進(jìn)行掃描，R1從0.05到0.34，查看輸出光強(qiáng)。</p><p>　　圖8：周期性介質(zhì)桿之間距離對(duì)光波傳播的影響</p><p>　　結(jié)果顯示，在R1等于0.1和0.3時(shí)有兩個(gè)極值。</p><p>　　3.2 波導(dǎo)中直角對(duì)光傳輸?shù)挠绊?lt;/p><p>　　先對(duì)不經(jīng)直角的光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。</p><p

36、><b>　　結(jié)構(gòu)如下：</b></p><p><b>　　圖9：直角波導(dǎo)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　結(jié)果如下：</b></p><p>　　圖10：直角波導(dǎo)未經(jīng)直角前光強(qiáng)波形</p><p><b>　　經(jīng)過(guò)直角后的光強(qiáng)：</b>&

37、lt;/p><p>　　圖11：直角波導(dǎo)經(jīng)過(guò)直角波導(dǎo)之后輸出波形</p><p>　　對(duì)比得出，通過(guò)直角后的衰減可以忽略。</p><p>　　4 十字結(jié)構(gòu)下的非門(mén)和比較器</p><p>　　4.1 結(jié)構(gòu)、參數(shù)和原理</p><p>　　比較器是一種基礎(chǔ)邏輯元件，可以對(duì)高電位和低電位進(jìn)行判斷，在D/A轉(zhuǎn)換中就是可以把二進(jìn)

38、制數(shù)1按照位權(quán)值輸出光強(qiáng)，二進(jìn)制數(shù)0輸出0?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖12：十字結(jié)構(gòu)比較器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)</p><p>　　線性高折射率的介質(zhì)柱（紅色圓柱）選為硅（Si）材料，低折射率介質(zhì)（周?chē)h(huán)境介質(zhì)）選為空氣，折射率分別為3.4和1（即Index difference為2.4），設(shè)晶格常數(shù)period為1，高折射率線性介質(zhì)柱的半徑Radius為0.18，可計(jì)算出工作波長(zhǎng)Free S

39、pace Wavelength為(1/0.336) *Period，即2.9762。</p><p>　　中部藍(lán)色圓柱是克爾非線性介質(zhì)桿，參數(shù)設(shè)置為：半徑Radius3為0.15，設(shè)頻率無(wú)窮大處的相對(duì)介電常數(shù)Epsilon at Infinity為4，三階歸一化非線性系數(shù)Chi3為0.001。黃色為微調(diào)介質(zhì)桿，半徑Radius1為0.118。紫色為輸出微調(diào)介質(zhì)桿，半徑為Radius3。 </p>&

40、lt;p>　　這種結(jié)構(gòu)的原理是通過(guò)設(shè)定中間藍(lán)色非線性介質(zhì)桿的參數(shù)，來(lái)設(shè)定一定幅度的閾值（根據(jù)需要設(shè)定）。當(dāng)控制信號(hào)小于該閾值時(shí)，非線性桿折射率的變化不明顯，橫向處于理想周期結(jié)構(gòu)狀態(tài)，垂直通道阻斷，參考光無(wú)法通過(guò)，輸出為邏輯0；當(dāng)控制信號(hào)大于該閾值時(shí)，非線性折射率變化明顯，缺陷層介電常數(shù)變化，光在輸出方向微調(diào)介質(zhì)桿中發(fā)生諧振，垂直通道打開(kāi)，輸出為需要的位權(quán)值。</p><p><b>　　4.2 非

41、門(mén)</b></p><p>　　通過(guò)前面對(duì)于直波導(dǎo)中慢變結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸?shù)挠绊懛治觯F(xiàn)將結(jié)構(gòu)修改成如下：</p><p>　　圖13：修改后的十字結(jié)構(gòu)</p><p>　　對(duì)紫色微調(diào)介質(zhì)桿半徑進(jìn)行掃描。</p><p>　　對(duì)比輸入為1、0和輸入為1、1的結(jié)果。</p><p>　　圖14：1號(hào)、2號(hào)光源分別輸

42、出1、0時(shí)對(duì)R2的掃描輸出</p><p>　　圖15：1號(hào)、2號(hào)光源分別輸出1、1時(shí)對(duì)R2的掃描輸出</p><p>　　發(fā)現(xiàn)在R2等于0.13時(shí)有一個(gè)粗糙的非門(mén)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　對(duì)此處進(jìn)行細(xì)掃，找到最高點(diǎn)。</p><p>　　圖16：R2等于0.13時(shí)對(duì)圖14局部細(xì)掃</p><p>　　最高點(diǎn)在0.1

43、32。</p><p><b>　　4.3 比較器</b></p><p>　　4.3.1 比較器原理</p><p>　　比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器。</p><p>　　電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)： </p><

44、;p>　　當(dāng)Pinf輸入端電壓高于預(yù)設(shè)電壓時(shí)，電壓比較器輸出為高電平； </p><p>　　當(dāng)Pinf輸入端電壓低于預(yù)設(shè)電壓時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；</p><p>　　電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換電路等。利用簡(jiǎn)單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。</p><p>　　簡(jiǎn)單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

45、靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。</p><p>　　運(yùn)放，是通過(guò)反饋回路和輸入回路的確定“運(yùn)算參數(shù)”，比如放大倍數(shù)，反饋量可以是輸出的電流或電壓的部分或全部。而比較器則不需要反饋，直接比較兩個(gè)輸入端的量，如果同相輸入大于反相，則輸出高電平，否則輸出低電平。電壓比較器輸入是線性量，而輸出是開(kāi)關(guān)（高低電平）量。一般應(yīng)用中，有時(shí)也可以用線性運(yùn)算放大器

46、，在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來(lái)使用。</p><p>　　表1：1位比較器邏輯真值表</p><p>　　通過(guò)前兩幅圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，R2等于0.1附近還有一個(gè)比較器結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　細(xì)掃如下：</b></p><p><b>　　輸入為1、1時(shí)。</b></p>

47、<p>　　圖17：輸入為1、1時(shí)對(duì)R2等于0.11附近細(xì)掃</p><p>　　再對(duì)輸入為1、0情況在0.095到0.11進(jìn)行細(xì)掃。</p><p>　　圖18：輸入為1、0時(shí)對(duì)R2等于0.11附近細(xì)掃</p><p>　　對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取R2=0.102時(shí)低光強(qiáng)為0.37，高光強(qiáng)為1，比較理想。</p><p><b>

48、　　5 功率合成</b></p><p>　　5.1 T型合成結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖19：T型合成結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　當(dāng)輸入為1和1時(shí)：</b></p><p>　　圖20：未設(shè)置控制桿，輸入為1、1時(shí)的輸出</p><p>　　輸出光強(qiáng)穩(wěn)定于1.3。</p&

49、gt;<p>　　對(duì)結(jié)構(gòu)中央的介質(zhì)柱半徑進(jìn)行掃描，從0.34到0.39。</p><p>　　圖21：對(duì)中央介質(zhì)桿半徑R2從0.34掃描到0.39的輸出</p><p><b>　　根據(jù)結(jié)果可以看出：</b></p><p>　　當(dāng)取半徑為0.35時(shí)輸出能量為1；</p><p>　　取半徑為0.355時(shí)輸

50、出能量為2；</p><p>　　我們?nèi)“霃綖?.355，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、2時(shí)進(jìn)行掃描。</p><p>　　圖22：R2為0.355，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、2的掃描結(jié)果</p><p>　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)與預(yù)期輸出3有0.25的差距。</p><p>　　再檢驗(yàn)取0.35時(shí)光強(qiáng)取1、2的輸出。</p><p>　　圖23

51、：R2為0.35，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、2的掃描結(jié)果</p><p>　　輸出1.55，與預(yù)期輸出1.5有0.05的差距，這個(gè)誤差已經(jīng)比較理想，繼續(xù)檢驗(yàn)光強(qiáng)為1、3時(shí)的輸出。</p><p>　　圖24：R2為0.35，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、3的掃描結(jié)果</p><p>　　輸出為1.98，與2的預(yù)期很接近，相差0.02。</p><p>　　再

52、檢驗(yàn)輸入為1、4。</p><p>　　圖25：R2為0.35，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、4的掃描結(jié)果</p><p>　　與目標(biāo)值相差0.12。</p><p>　　再檢驗(yàn)輸入為1、8時(shí)。</p><p>　　圖26：R2為0.35，對(duì)輸入光強(qiáng)分別為1、8的掃描結(jié)果</p><p>　　與預(yù)期值相差0.6。</p&g

53、t;<p>　　考慮到光波傳播過(guò)程中的能量損耗，做1、2、4三位的D/A轉(zhuǎn)換器，誤差應(yīng)該可以接受。</p><p>　　現(xiàn)在討論當(dāng)其中一個(gè)分支為0時(shí)的輸出。</p><p>　　測(cè)試結(jié)果顯示，在前面結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩個(gè)輸入光強(qiáng)分別為1、0時(shí)，輸出只有0.25。</p><p>　　于是我們考慮到要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)橐C合3個(gè)比較器兩個(gè)功率合成結(jié)構(gòu)的輸出進(jìn)行補(bǔ)

54、償，我們將在第六章中整個(gè)結(jié)構(gòu)下對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)姆治觥?lt;/p><p>　　6 D/A轉(zhuǎn)換光路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2位D/A轉(zhuǎn)換光路</b></p><p>　　根據(jù)數(shù)字電路理論，可得出是A/D 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。以下是A/D 轉(zhuǎn)換的兩種方案。如圖8和圖9中所示，D代表比較器。A代表模擬輸出。C代表功率合成結(jié)構(gòu)。</p&g

55、t;<p>　　我們構(gòu)造的2位D/A轉(zhuǎn)換光路結(jié)構(gòu)如圖？。其中數(shù)字邏輯信號(hào)D2D1輸入為圖中D2、D1端口,模擬信號(hào)A輸出為圖中A端口。</p><p>　　2位D/A轉(zhuǎn)換光路結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖27：2位D/A轉(zhuǎn)換光路結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3位D/A轉(zhuǎn)換光路</b></p><p>　

56、　3位D/A轉(zhuǎn)換光路結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖28：3位D/A轉(zhuǎn)換光路結(jié)構(gòu)</p><p>　　由左到右3個(gè)十字結(jié)構(gòu)依次為比較器1、比較器2、比較器3。</p><p>　　由下到上兩個(gè)綠點(diǎn)為中心的結(jié)構(gòu)依次是功率合成1、功率合成2。</p><p>　　表2：輸入邏輯信號(hào)與輸出模擬信號(hào)理論數(shù)值轉(zhuǎn)換表</p><p>

57、;　　由于前面提到的在遇到0、1輸入時(shí)，功率合成結(jié)構(gòu)有比較大的誤差，所以需要進(jìn)行補(bǔ)償。于是嘗試第一種補(bǔ)償方案，即，</p><p>　　3號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　2號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　1號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　功率合成結(jié)

58、構(gòu)1補(bǔ)償0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光。</p><p><b>　　結(jié)果如下：</b></p><p>　　表3：輸入邏輯信號(hào)與輸出模擬信號(hào)實(shí)際轉(zhuǎn)換情況a</p><p>　　檢驗(yàn)到第四組發(fā)現(xiàn)誤差很大，預(yù)計(jì)輸出3的情況，只能輸出2.334，連2.5都達(dá)不到。</p><p>　　再?lài)L試第二種補(bǔ)償方案。</p><p

59、>　　3號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　2號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　1號(hào)比較器補(bǔ)償同相位同方向的0.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光；</p><p>　　功率合成結(jié)構(gòu)1補(bǔ)償0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光。</p><p><b>　　結(jié)果如下：</b></p><

60、;p>　　表4：輸入邏輯信號(hào)與輸出模擬信號(hào)實(shí)際轉(zhuǎn)換情況b</p><p>　　通過(guò)輸出得出結(jié)論，應(yīng)用現(xiàn)有方法構(gòu)造光子晶體D/A轉(zhuǎn)換光路沒(méi)法達(dá)到高的轉(zhuǎn)換精度，原因是由于光功率相加結(jié)構(gòu)的相加效率以及對(duì)單一通道光的引導(dǎo)效率不高，導(dǎo)致補(bǔ)償?shù)姆椒梢越鉀Q其中幾組輸出的轉(zhuǎn)換精度，但是其他輸出就沒(méi)法保證它的轉(zhuǎn)換精度。</p><p>　　7 光路設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新與特色總結(jié)</p><

61、;p>　　本論文提出了利用二維光子晶體實(shí)現(xiàn)D/A全光轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)方案。討論了光子晶體波導(dǎo)中慢變結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?，在前述參?shù)設(shè)置下，0.1和0.3有兩個(gè)傳輸窗口，設(shè)計(jì)了基于十字結(jié)構(gòu)的比較器和非門(mén)，還對(duì)兩種功率合成方法進(jìn)行了分析和討論。并進(jìn)行了全光數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　介紹了光子晶體的基礎(chǔ)理論和兩種分析方法，并對(duì)Rsoft軟件的使用進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。</p>&l

62、t;p>　　論文第六章提出了兩位、三位數(shù)模轉(zhuǎn)換的光路結(jié)構(gòu)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計(jì)算。</p><p>　　設(shè)計(jì)過(guò)程中嘗試采用內(nèi)置持續(xù)發(fā)光激光器的辦法來(lái)補(bǔ)償波導(dǎo)中和通過(guò)邏輯門(mén)時(shí)的損耗。</p><p>　　8 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與解決思想</p><p>　　設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，如果以功率作為信號(hào)的載體，功率合成是光子晶體集成光路中亟待解決的問(wèn)題。我認(rèn)為可以嘗試其他載波形

63、式，比如頻率?；蛘咴O(shè)計(jì)一種缺陷結(jié)構(gòu)，可以極大提高引導(dǎo)光的能力，使光在通過(guò)分叉結(jié)構(gòu)時(shí)可以幾乎100%地進(jìn)入其中指定的一路。</p><p>　　設(shè)計(jì)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)光路復(fù)雜起來(lái)之后，位相關(guān)系，和多光束干涉，會(huì)擾動(dòng)光路輸出，使得輸出不準(zhǔn)確，或者邏輯光路的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1] 曾玉，張

64、洪濤 光子晶體及其研究[J].江西藍(lán)天學(xué)院學(xué)報(bào)2008（10）；123（2008增）023-03</p><p>　　[2] 安鶴男,歐陽(yáng)征標(biāo),許桂雯,孫一翎,阮雙琛,李景鎮(zhèn),張道中 二維光子晶體結(jié)構(gòu)參量對(duì)光子禁帶特性的影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào)0253-2239 (2004)06：842-5</p><p>　　[3] Eil Yablonovitch, Inhibited spontaneo

65、us emission in solid-state physics and electronics, Phys. Rev. Lett. 1987, 58(20):2059-2062</p><p>　　[4] Sajeev John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices, Phys. Rev.

66、 Lett. 1987, 58(23):2486-2489</p><p>　　[5] 陳　凱,盛秋琴,韓　軍,王　晶 光子晶體及其應(yīng)用研究[J].光電子技術(shù)1005-488X (2003) 01-0016-08</p><p>　　[6] S. Fan et al. ,Phys, Rev. Lett. 1997, 78(17): 3294-3297</p><p>

67、;　　[7] V. I. Kopp. Opt. Lett. 1998, 23(21):1707-1709</p><p>　　[8] 歐陽(yáng)征標(biāo)，李景鎮(zhèn) 光子晶體的研究進(jìn)展[J].激光雜志，2000；21（2）：4-6</p><p>　　[9] 劉強(qiáng)，歐陽(yáng)征標(biāo) 基于二維光子晶體“十字”結(jié)構(gòu)的半加器[J].光子學(xué)報(bào)（2008）12增刊：1-5</p><p>　　[1

68、0] 龔旗煌 超快速低功率光子晶體全光開(kāi)關(guān)研究進(jìn)展[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué) （2009）1：13-15</p><p>　　[11] 石建平，陳旭南，張小玉，張磊，安衛(wèi)軍，秦濤 光子晶體器件的研究進(jìn)展及前景[J].納米器件與技術(shù)1621-4776（2004）01：10-14</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先衷心感謝

69、我的導(dǎo)師歐陽(yáng)征標(biāo)教授和許桂雯實(shí)驗(yàn)師。本論文正是在他們的悉心指導(dǎo)下才得以完成。從最初的選題和論文的研究，到最后的撰寫(xiě)工作，他們都傾注了大量的心血。他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，高尚的科學(xué)道德和對(duì)科學(xué)研究事業(yè)孜孜不倦的探索獻(xiàn)身精神使我受益匪淺。在此，謹(jǐn)向老師表示我最真誠(chéng)的感謝。</p><p>　　我還要特別感謝光子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的劉強(qiáng)、曹恩文師兄，他們給予我學(xué)術(shù)細(xì)節(jié)和軟件應(yīng)用方面無(wú)微不至的指導(dǎo)幫助。</p><

70、;p>　　感謝實(shí)驗(yàn)室全體老師和同學(xué)的幫助和支持。</p><p>　　感謝我的父母在我成長(zhǎng)道路上的一貫的關(guān)懷和幫助。</p><p>　　最后向百忙之中審閱此文的各位老師致以崇高的敬意。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Photonic crystal D / A conv

71、erter in future optical information processing, digital optical signal output, network signal monitoring is a key element. This paper discusses the principles and design methods of optical D / A converter based on photon

72、ic crystals, The impact of waveguide and photonic crystal slow-varying structure on the transmission of electromagnetic wave is discussed. A cross-structure comparator is developed. Power synthesizing methods are also di

73、scussed. And numerical simulation</p><p>　　Chapter II introduced the theoretical basis of photonic crystals and the Rsoft software. Chapter IV gives the principle of comparators and the design of the compar

74、ator based on cross structures. </p><p>　　Chapter VI put forward the optical circuits of two and three-digit D/A converter. And numerical experiments are done. But futhrer study is necessary for optimizatio

75、n. Power synthesizer plays an important role, yet no ideal one is obtained, remaining a bottleneck to go through.</p><p>　　Key words: optical D/A converter, optical comparator, optical logic, photonic crysta