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64. D/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92.Rsoft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201.T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30Abstract.31D/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1.1 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，S.John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。1.2 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，主要就是对这个性质的应用。1.3 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。1.4 D/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。D1B3D2CAB2D3B1图1：D/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。1.5 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。2 计算模拟方法和工具2.1 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。2.2 Rsoft FullWAVE软件2.2.1 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。图2：FullWAVE模拟光子带隙Y分支结构2.2.2 使用步骤 首先需要设置光子晶体的结构。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。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