光比較器設計研究

1、<p><b>　　深 圳 大 學</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文（設計）</p><p>　　題目: 光比較器設計研究 </p><p>　　姓名: </p><p>　　專業(yè): 電子科學與技術 </p>

2、<p>　　學院: 電子科學與技術學院 </p><p>　　學號: </p><p>　　指導教師: </p><p>　　職稱： 教授、實驗師 </p><p>　　20 年05 月 18日</p><p>　　深圳大學本科畢業(yè)論文（設計）

3、誠信聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計），題目《 光比較器設計研究 》 是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果。</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）作者簽名：<

4、;/p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　【摘要】------------------------------------------------------1</p><p>　　【關鍵詞】------------------------

5、--------------------------1</p><p>　　引言-----------------------------------------------------1</p><p>　　光子晶體簡介-------------------------------------------1</p><p>　?。ㄒ唬┕庾泳w的基本原理------

6、------------------------1</p><p>　?。ǘ┕庾泳w的結(jié)構-------------------------------------2</p><p>　?。ㄈ┕庾泳w的應用前景----------------------------------2</p><p>　　三、 Rsoft軟件簡介------------------

7、--------------------------3</p><p>　?。ㄒ唬〨lobal settings 設置-----------------------------------3</p><p>　?。ǘ┓蔷€性介質(zhì)桿的設置-----------------------------------4</p><p>　　（三）輸入光以及輸出探測器的設置---

8、-------------------------5</p><p>　　1.輸入光設置-----------------------------------5</p><p>　　2.輸出探測器的設置------------------------------------6</p><p>　　（四）Perform Simulation 的設置----------

9、-----------------6</p><p>　　四、 基本光學邏輯門-------------------------------------------7</p><p>　?。ㄒ唬┡c門-------------------------------------------------7</p><p>　　（二）或門------------------

10、-------------------------------7</p><p>　?。ㄈ┊惢蜷T----------------------------------------------8</p><p>　　五、 光比較器------------------------------------8</p><p>　　（一）第一類：=, ≠-----------

11、-------------------------10</p><p>　　1.一位比較器-------------------------------------10</p><p>　　2.兩位比較器---------------------------------11</p><p>　　（二）第二類：<, ≥----------------------

12、------------------19</p><p>　　1.一位比較器--------------------------------------19</p><p>　　2.兩位比較器---------------------------------22</p><p>　?。ㄈ┑谌悾骸? >---------------------------

13、-------23</p><p>　　1.一位比較器--------------------------------------23</p><p>　　2.兩位比較器----------------------------------24</p><p>　　（四）新型比較器--------------------------------------------

14、-24</p><p>　　六、 結(jié)束語------------------------------------29</p><p>　　參考文獻------------------------------------30</p><p>　　致謝------------------------------------31</p><p>　

15、　【Abstract】-----------------------------------------------------32</p><p>　　【Key words】----------------------------------------------------------32</p><p><b>　　光比較器設計研究</b></p>

16、<p>　　電子科學與技術學院 電子科學與技術專業(yè) 王文強</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　光子晶體對光具有獨特的局域、 反射、 傳導、 分束、 耦合、 調(diào)制、 慢光等操縱能力 ,使其成為微/納光電集成的重要材料之一。而比較器作為基本的邏輯單元，是業(yè)界應用極其廣泛的標準

17、元件。所以可以成功研制光比較器對于電子行業(yè)有著非凡的意義。本文系統(tǒng)的闡述了光子晶體的原理，并且通過RSOFT軟件模擬構造了多種光比較器，并且對輸出進行了模擬驗證，這一研究將會為光邏輯器件奠定一定的基礎。</p><p><b>　　【關鍵詞】</b></p><p>　　光子晶體；比較器；缺陷；真值表；邏輯表達式；光學邏輯門。</p><p>

18、<b>　　引言</b></p><p>　　全光技術的發(fā)展是實現(xiàn)未來通信網(wǎng)絡的重要基礎.隨著通信技術正向著更優(yōu)越方面發(fā)展，例如：超高速、大容量，人們對信息的處理、信息的交換速度有了越來越高的要求，基于電子器件的交換技術，已存在瓶頸。光速是宇宙中最快的速度，所以利用光作為信息載體，其速度要遠遠超過目前半導體硅器件；此外，光在傳輸和轉(zhuǎn)換時能量消耗低，用光來保存和傳輸信息可以解決很多用電很難解決

19、的問題。因此，光通信必將成為未來的一個發(fā)展方向。</p><p>　　類似與電子計算機的信息處理，全光信息系統(tǒng)同樣需要通過一系列邏輯操作來實現(xiàn)處理和解決問題。全光邏輯門在尋址、 光計算、 時鐘提取和信號再生中都有著廣泛應用,引起了越來越多人們的關注.到目前為止 ,人們通過各種方法來實現(xiàn)全光邏輯門 ,但是這些實現(xiàn)方式都有一定的限制 ,例如基于光纖非線性效應的全光邏輯門不利于微型化;而半導體光放大器的自發(fā)輻射噪音無法

20、很好的解決，會對結(jié)果產(chǎn)生很大影響等等.基于光子晶體制作而成的器件普遍具有易于集成、 抑制自發(fā)輻射等優(yōu)勢 ,使得人們有了利用它來制作光邏輯器件的設想. 并且在全光信息系統(tǒng)運算過程中，經(jīng)常需要對兩個光信號進行比較，以判斷其相對大小或是否相等，此時就需要用到光比較器。此外，利用光比較器，可以構造出邏輯光路中的基本功能模塊，例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等等，用于信號之間的轉(zhuǎn)換，進一步構造復雜的光學功能器件。因此，光比較器是全光邏輯器件以及全光信息

21、交換中一種不可缺少的重要基本功能器件?；诖?,本文首先介紹了一些其他研究人員構造出的基本邏輯門，在基本邏輯門的基礎上，通過真值表、邏輯表達式，構造出三類一位以及二位的比較器，以及嘗試了類似于模擬比較器的光比較器，</p><p><b>　　二、光子晶體簡介</b></p><p>　　（一）光子晶體的基本原理</p><p>　　光子晶體是

22、1987年提出的新概念和新材料。這種材料有一個顯著的特點是它可以人為地控制光子的運動，從而搭建適當?shù)墓饴?，實現(xiàn)必要的器件。如何用二維光子晶體實現(xiàn)全光比較器邏輯器件，是我們研究的重點和目的。它是光電集成、光子集成、光通訊、微波通訊、空間光電技術以及國防科技等現(xiàn)代高新技術的一種新理論，也是相關學科發(fā)展和高新技術創(chuàng)新的關鍵性基礎材料。</p><p>　　光子晶體也稱為光子帶隙材料，它的原理與晶體類似，晶體中的原子是周

23、期性排列的，所以會使晶體中產(chǎn)生周期性的勢場,當電子在這種周期性勢場中運動時會受到布拉格散射,從而形成能帶結(jié)構。帶隙可能存在于帶與帶之間，波如果落在帶隙中將無法繼續(xù)傳播，無論什么波都將受到周期性的調(diào)制。光子晶體具體是指人工構造的介電常數(shù)在空間呈周期性排列而形成的結(jié)構。是在高折射率材料的某些位置周期性地出現(xiàn)低折射率的材料,高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙,從而控制著光在光子晶體中的運動。此外，如果在光子晶體的周期

24、性結(jié)構中引入缺陷，破壞周期性結(jié)構，那么與缺陷態(tài)頻率吻合的光子將被限制在缺陷的位置，一旦偏離缺陷位置將迅速的衰減，這樣就可以控制光波在缺陷中進行傳輸， 它的另外一個優(yōu)點是由于光子禁帶的存在，即使讓光波經(jīng)過很大角度的彎曲處時，也幾乎沒有能量的損失。通過控制光子晶體的帶隙以及帶隙中的缺陷態(tài)可以很方便地控制一定頻率的光子通過。加上光在介電材料里的傳輸速率和帶寬都遠遠大于電子在金屬中的傳輸速率和帶寬。這一切決定了光子晶體有著廣泛的應用前景。<

25、;/p><p>　?。ǘ┕庾泳w的結(jié)構</p><p>　　光子晶體按照空間分布的周期性可以分為：一維、二維和三維光子晶體，如圖1所示。而其中就功能而言， 一維和二維光子晶體應用最為廣泛。其中一維光子晶體就是我們通常所說的光學多層膜，多層介質(zhì)周期性地排列形成一維光子帶隙，使某些頻率范圍的光子無法穿越，產(chǎn)生高效率的反射，有抗反射膜和全反射膜，二維的應用非常廣泛，可作為波導元件、分光元件和干涉儀

26、，三維光子晶體最為多樣而且復雜，最簡單的三維光子晶體可以想象成許多奈米尺寸的緊密而且周期地堆積的結(jié)構，隨著角度變化，其反射光顏色會變化。而且三維光子晶體的結(jié)構圖與普通的硅晶體單從結(jié)構是很相似的。</p><p>　　本論文所應用的是二維光子晶體：對二維光子晶體而言，在微波以及光頻波段，其加工技術已經(jīng)十分成熟，尤其是隨著微納米加工技術的不斷發(fā)展，二維光子晶體器件性能越來越可靠，此外由于其所利用的材質(zhì)與已形成工業(yè)化生

27、產(chǎn)的半導體光電材料一致，所以應用前景更加廣泛。更為實現(xiàn)光電集成提供了可能．在光子晶體內(nèi)，存在著二維光子帶隙和導帶的調(diào)控。二維光子晶體與普通光子晶體控制光子傳播行為的手段是一致的。設計光子晶體帶隙通常的做法是：降低晶體原子構型的對稱性。在二維情況下，晶體元胞里引入兩個圓柱體，通過調(diào)節(jié)兩個柱體尺寸的比例，可以較好地設計出完全帶隙的光子晶體。</p><p>　?。ㄈ┕庾泳w的應用前景</p><

28、p>　　光子晶體能夠控制光的傳播，所以它的應用十分廣泛。在光子晶體中引入一個點缺陷，可制成高品質(zhì)諧振腔，這種諧振腔可以改變原子的自發(fā)輻射；在光子晶體中引入線缺陷，可制成新型波導，這種波導無彎曲損耗。光子晶體的結(jié)構比較簡單，而且依靠自身結(jié)構就可實現(xiàn)帶阻濾波。在微波電路、微波天線、全光信息處理等方面均具有廣闊的應用前景。國外在這一方面的研究已經(jīng)取得了很多成果，而國內(nèi)的研究才起步不久，尤其在光子晶體全光邏輯器件方面的研究還存在許多空白，

29、所以從事光子晶體的研究具有重要的意義。</p><p>　　除上述重要應用外，光子晶體還存在著其它眾多的重要應用，如光子存儲器、極寬帶濾波器、無損耗反射鏡、光子偏振器等。由于光子晶體具有優(yōu)越的性能，大多數(shù)傳統(tǒng)光學產(chǎn)品將被光子晶體器件取代，并將實現(xiàn)集收集、處理、傳輸于一身的光學系統(tǒng)。 光子晶體只有近十年的發(fā)展歷史，所以還有大量的課題有待研究。光子晶體領域的最新發(fā)展不斷地激發(fā)著科學家和工程師的想象力和創(chuàng)造力，可以預見

30、， 光子晶體技術的發(fā)展終將導致光學、光電子學、信息科學以及整個電子行業(yè)革命性的變革。 </p><p><b>　　Rsoft軟件簡介</b></p><p>　　從事光電子相關行業(yè)必須要掌握光電器件的原理以及應用方法，應該可以熟練的運用仿真軟件進行實驗。在本畢業(yè)設計中，通過這一個器件的研究，觸類旁通，達到對同類的器件都有所了解。Rsoft軟件對與光子晶體的研究起著非

31、常重要的作用，并且本論文所有的實驗均為以它為基礎研究的，所以以下為對此軟件應用的一下方面進行簡單的介紹。以下為Rsoft軟件的主頁面：</p><p>　　圖2 Rsoft軟件的主頁面</p><p>　?。ㄒ唬〨lobal settings 設置</p><p>　　圖3 Global settings 設置</p><p>　　點擊Gl

32、obal settings按鈕后會出現(xiàn)上圖所示框，Weaveguide Model Dimension用于設置光子晶體的維度，本論文使用為2維，所以點擊2D按鈕；Bandsolve按鈕用于掃描禁帶時使用；Background Index用于設置低折射率介質(zhì)（周圍環(huán)境介質(zhì)）的折射率，本論文選為空氣，所以將其設置為1；Index difference用于設置高折射率于低折射率之差，由于本文高折射率介質(zhì)選為硅，且其折射率為3.4，所以Inde

33、x difference=硅折射率-空氣折射率=3.4-1=2.4；waveguide width用于設置波導寬度，本文設置為0.4*Period；Free Space Wavelength用于設置工作波長，由以上各參數(shù)設置可算出Free Space Wavelength為(1/0.336)*Period，即2.9762。</p><p>　?。ǘ┓蔷€性介質(zhì)桿的設置</p><p>　　

34、首先右鍵點擊所要設置的晶體光子，將彈出下圖的對話框：</p><p>　　圖4 非線性介質(zhì)桿的設置</p><p>　　點擊Material Properties右邊下拉菜單，選擇New Material后將出現(xiàn)下面對話框：</p><p>　　圖5 點擊New Material后的會話框</p><p>　　點擊New Material 將

35、新建一個材料類型，Epsilon at Infinity用于設置頻率無窮大處的相對介電常數(shù)，本文設置為3.5；Chi2用于設置二階歸一化非線性系數(shù)，本文設置為0.01；Chi3用于設置三階歸一化非線性系數(shù)，本文設置為0.4；Chi3 Saturation Coef設置為0.1。</p><p>　?。ㄈ┹斎牍庖约拜敵鎏綔y器的設置</p><p><b>　　1.輸入光設置<

36、;/b></p><p>　　點擊左邊控件欄上見的Edit launch Field,彈出下面對話框，將在其中進行輸入光設置：</p><p><b>　　圖6 輸入光設置</b></p><p>　　點擊New新建一個光發(fā)生器，Type用于設置光的類型，本文全部采用高斯模式，X，Z用于設置發(fā)光器的位置；Phi用于設置發(fā)光的角度；Widt

37、h用于設置光的寬度；Power用于設置光的功率強度。</p><p>　　2. 輸出探測器的設置</p><p>　　點擊界面上方Options，選擇insert—Time Monitor，將彈出以下界面：</p><p>　　圖7 輸出探測器的設置</p><p>　　其中Width、Height用于控制探測器的寬度和大?。籜、Z用于設置探

38、測器的位置；Time Monitor Type用于設置測量的類型，本為選為power；Time average選為Yes。</p><p>　　（四）Perform Simulation 的設置</p><p>　　點擊左面控件的Perform Simulation將彈出以下界面：</p><p>　　圖8 Perform Simulation 的設置</p&

39、gt;<p>　　Time Step用于設置測量步長；Stop Time用于設置測量時間；Output Prefix用于設置輸出文件的名字（輸出文件為測量功率的二維圖表）；其他設置均為默認設置即可。</p><p><b>　　四、基本光學邏輯門</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┡c門</b></p><

40、p>　　用Rsoft 軟件構造右圖所示的“與”門結(jié)構，實施參數(shù)如下：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)（周圍環(huán)境介質(zhì)）選為空氣，折射率分別為3.4和1，（即Background Index為1，Index difference為2.4 ）設晶格常數(shù)period為1，波導寬度waveguide width為0.4*Period.高折射率線性介質(zhì)柱的半徑Radius為0.18，陣列數(shù)選為17×1

41、7,可計算出工作波長Free Space Wavelength為(1/0.336)*Period，即2.9762.出口處兩個交叉線圓柱是克爾非線性介質(zhì)桿，克爾非線性介質(zhì)桿的半徑Radius為0.18,設頻率無窮大處的相對介電常數(shù)Epsilon at Infinity為3.5，二階歸一化非線性系數(shù)Chi2為0.01,三階歸一化非線性系數(shù)Chi3為0.4，Chi3 Saturation Coef為0.1，其余參數(shù)不變。設一探測器Time M

42、oniter在出口處（綠色），監(jiān)視輸出功率Power變化情況。其中，實心圈表示線性介質(zhì)桿（除中間大圓柱外），而兩個交叉線圓柱以及中間大圓柱表示克</p><p><b>　　圖9 與門結(jié)構</b></p><p><b>　　（二）或門</b></p><p>　　用Rsoft 軟件構造右圖所示的“或”門結(jié)構，實施參數(shù)如下

43、：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)（周圍環(huán)境介質(zhì)）選為空氣，折射率分別為3.4和1，設晶格常數(shù)period為1，高折射率線性介質(zhì)柱的半徑Radius為0.18，陣列數(shù)選為17×17,可計算出工作波長Free Space Wavelength為(1/0.336)，即2.9762。中部圓柱是引導柱，桿的半徑都為0.292。</p><p>　　“或”邏輯門的輸入端為1、2，輸

44、出端為3.</p><p>　　圖10 或門與異或門結(jié)構</p><p><b>　　（三）異或門 </b></p><p>　　“異或”邏輯門與或門的結(jié)構一樣，只是它的的輸入端分別為1、2,輸出端為4.</p><p><b>　　五、光比較器</b></p><p>　　

45、比較既是一個十分重要的概念，也是一種基本的操作，人只能在比較中識別事物，計算機只能通過比較識別數(shù)據(jù)與代碼，實現(xiàn)比較操作的電路叫做比較器. 從2005年到2006年，比較器的市場增長已超過了20%，所以可以得知比較器對于整個市場的重要性越來越高。比較器其實可看成一個能夠作邏輯 “決策”的邏輯輸出電路。換句話說，它可把輸入信號與已定義的參考電平進行比較。比較器的邏輯輸出功能可以幫助用戶設計具有多樣化的額外功能電路。而且，無論是高速ADC、S

46、AR 型ADC 還是Sigma-Delta ADC，比較器都是組建集成ADC 的內(nèi)部基本而又關鍵的模塊。如今，比較器是業(yè)界應用極其廣泛的標準元件。比較器具有外部滯后、鎖存、靈活的電源電壓和輸出配置等多項功能和特性。此外，對比較器的傳播延遲、消散、觸發(fā)率或精準失調(diào)等關鍵參數(shù)可以滿足一系列高性能應用的需求，例如電平平移、電源監(jiān)測、時鐘/數(shù)據(jù)緩沖以及接收和觸發(fā)等。雖然運算放大器也可用作比較器，但在應用時需要加倍小心才能確保器件的正常。<

47、/p><p>　　原始的比較器主要分為兩大類：</p><p>　　A．模擬比較器 將模擬量與一標準值進行比較,當高于該值時,輸出高(或低)電平.反之,則輸出低(或高)電平。所以它是需要一個跳變點的電路，即當輸入高于閾值時即刻就可以輸出判決信號。例如,將一溫度信號接于運放的同相端,反相端接一電壓基準(代表某一溫度),當溫度高于基準值時,運放輸出高電平,控制加熱器關閉,反之當溫度信號低于

48、基準值時,運放輸出低電平,將加熱器接通。這一運放就是一個簡單的比較器,因為輸入與輸出同相,稱為同相比較器。有的模擬比較器具有遲滯回線,稱為遲滯比較器,用這種比較器,有助于消除寄生在信號上的干擾。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。</p><p>　　比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可

49、以看作是運算放大器的一種應用電路。由于比較器電路應用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。</p><p>　　圖11 由運算放大器組成的差分放大器電路  上圖由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關系式為：Vout=(1+RF/R1)&

50、#183;R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0(相當于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當于R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大。</p>&l

51、t;p>　　B.數(shù)字比較器 用來比較二組二進制數(shù)是否相同,相同時輸出(或低)高電平,反之,則輸出相反的電平.；同樣也可以比較兩個二進制數(shù)的大小，當一個輸入大于（小于）另外一個輸入的時候，輸出高電平，反之輸出低電平。本文則是利用光實現(xiàn)數(shù)字比較器的功能，光相對于電子有很多優(yōu)勢，但同時光學在這方面的研究仍然沒有成熟。</p><p>　　很早國外針對光比較器的結(jié)構及功能展開了廣泛的研究。而國內(nèi)發(fā)展較慢，主要

52、工作集中在理論分析和計算機仿真上，實驗研究則相對較少。</p><p>　　目前已研究的光比較器，按實現(xiàn)光比較器的原理來分，基本上可分為基于S0A的高非線性效應、串并轉(zhuǎn)換、大規(guī)模集成電路(VLSI)；按結(jié)構分為SOA．MZI結(jié)構、TOAD結(jié)構、FBG。目前，關于光比較器還沒有嚴格的定義，實現(xiàn)光比較器的方案很多，沒有系統(tǒng)的性能指標。我們提出的用二維光子晶體實現(xiàn)光比較器，是一種新的思路。下面介紹一些基本的性能指標：&

53、lt;/p><p>　　(1)被比較數(shù)據(jù)包的長度和速率。這是衡量比較器處理信號能力的重要指標。</p><p>　　(2)判決功能。這個是比較器的最基本的功能，也就是當兩個輸入端存在某種大小或者邏輯關系的時候，輸出要有一個信號來區(qū)分它們的具體關系。</p><p>　　(3)誤判率。是指比較器判決出錯的概率 ,它是衡量比較器可靠性的指標。</p><

54、p>　　(4)噪聲容限。指在保證比較器能夠正確判決的情況下 ,允許輸入的最大噪聲 ,是對輸入信號信噪</p><p><b>　　比提出的要求。</b></p><p>　　(5)輸入信號的功率容限。功率容限是指能夠使比較器正常工作的最大與最小功率。</p><p>　　(6)可調(diào)節(jié)性。在復雜的通信網(wǎng)中，要求比較器具有很強的可調(diào)節(jié)性 ,增

55、加器件的利用率 ,簡化系統(tǒng)。</p><p>　　光比較器的基本功能就是將輸入的光數(shù)據(jù)包與基準的數(shù)據(jù)包進行比較，輸出一個判決信號?；鶞蕯?shù)據(jù)包可由本地的另一個數(shù)據(jù)源產(chǎn)生，或者由其他特定的匹配裝置產(chǎn)生。無論什么樣的光比較器，其功能模型都如圖12所示。功能模型(a)是速率及編碼格式均相同的兩路數(shù)據(jù)包同步輸入比較器，當兩數(shù)據(jù)包完全相同／相異時，比較器輸出一個脈沖作為判決信號，否則輸出為“0” 功能模型(b)是被比較數(shù)據(jù)包

56、注入分配了特定數(shù)據(jù)包信息的裝置。當被比較數(shù)據(jù)包信息與特定數(shù)據(jù)包信息一致時，裝置輸出干涉或相關函數(shù)峰值作為判決脈沖。</p><p>　　圖12 光比較器功能模型</p><p>　　由于光子晶體的特有性質(zhì)，使得可以利用光子缺陷人為控制光路的走向，形成具有一定判斷規(guī)律的邏輯器件或開關，進而形成邏輯門的功能。比較器又是建立在邏輯門基礎上的，可以利用設計出來的單個邏輯門，實現(xiàn)更為復雜結(jié)構的各種器

57、件。</p><p>　　比較器大致可以分為三類：第一類：=, ≠； 第二類：<, ≥；第三類：≤, ></p><p>　　首先我將利用基礎邏輯“與”門、“異或”門、“或”門，或變異結(jié)構，分別構造以上三類門：</p><p>　?。ㄒ唬?第一類：=, ≠：</p><p><b>　　1.一位比較器：</b>

58、;</p><p><b>　　真值表如下：</b></p><p>　　表1 第一類一位比較器真值表</p><p>　　邏輯關系式為 Y = AB (其中表示異或)基本邏輯結(jié)構：一位異或門構造圖為下圖：</p><p>　　圖13第一類一位比較器結(jié)構圖</p><p>　　參數(shù)設置與前面所講

59、的異或門完全一樣，并且有其結(jié)果可知，此一位比較器構造成功，結(jié)果與預期完全符合。</p><p><b>　　2.兩位比較器：</b></p><p>　　真值表如下：（數(shù)據(jù)A1A2與B1B2比較）</p><p>　　表2 第一類兩位比較器真值表</p><p>　　邏輯關系式：Y = A1B1+A2B2(其中表示異或

60、)，所以此次構造需要兩個異或門與一個與門。構造圖如下： </p><p>　　圖14 第一類二位比較器結(jié)構圖</p><p>　　首先左下角的結(jié)構為A1與B1的異或，輸出向上，右上角為A2與B2的異或，輸出向左，最后之前兩個門的結(jié)果進入左上角的與門，以達到真值表的邏輯。下面是此兩位比較器的輸出結(jié)果：</p>&

61、lt;p>　?。?）. 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=0 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖15 輸入A1A2B1B2=0000時輸出圖像</p><p>　　(2). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, P

62、ower=0, 輸入輸入源B2處, Power=1; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖16輸入A1A2B1B2=0001時輸出圖像</p><p>　　(3). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=0 ;記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><

63、p>　　圖17輸入A1A2B1B2=0010時輸出圖像</p><p>　　(4). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=1; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖18 輸入A1A2B1B2=0011時輸出圖像</p><p>　　(5).

64、設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖19 輸入A1A2B1B2=0100時輸出圖像</p><p>　　(6). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B

65、2處, Power=1; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖20 輸入A1A2B1B2=0101時輸出圖像</p><p>　　(7). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖21 輸入

66、A1A2B1B2=0110時輸出圖像</p><p>　　(8). 設輸入源A1處, Power=0, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=1; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖22 輸入A1A2B1B2=0111時輸出圖像</p><p>　　(9). 設輸入源A1處, Pow

67、er=1, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖23 輸入A1A2B1B2=1000時輸出圖像</p><p>　　(10). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=1

68、; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖24 輸入A1A2B1B2=1001時輸出圖像</p><p>　　(11). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖25 輸入A1A2B1B2=1

69、010時輸出圖像</p><p>　　(12). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=0； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=1 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖26 輸入A1A2B1B2=1011時輸出圖像</p><p>　　(13). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源

70、A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖27 輸入A1A2B1B2=1100時輸出圖像</p><p>　　(14). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=0, 輸入輸入源B2處, Power=1; 記錄圖象及輸出

71、口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖28 輸入A1A2B1B2=1101時輸出圖像</p><p>　　(15). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=0; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖29 輸入A1A2B1B2=1110時輸出圖像&

72、lt;/p><p>　　(16). 設輸入源A1處, Power=1, 輸入源A2處, Power=1； 輸入源B1處, Power=1, 輸入輸入源B2處, Power=1; 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖30 輸入A1A2B1B2=1111時輸出圖像</p><p>　　（二）第二類：<, ≥</p><p>

73、<b>　　1.一位比較器</b></p><p><b>　　真值表如下：</b></p><p>　　表3 第二類一位比較器真值表</p><p>　　首先=B，所以經(jīng)過化簡可以得到以下邏輯表達式：</p><p><b>　　Y=A+</b></p><

74、;p>　　結(jié)構圖如下： 其中下面的結(jié)構為異或門，B輸入與1的異或得到B的非；上面的結(jié)構為或門，B</p><p><b>　　非與A的或得到Y(jié)。</b></p><p>　　圖31 第二類一位比較器結(jié)構圖</p><p>　?。?）. 設輸入源A處, Power=0, 輸入源B處, Power=0, 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：<

75、;/p><p>　　圖32 輸入AB=00時輸出圖像</p><p>　?。?）. 設輸入源A處, Power=0 輸入源B處, Power=1 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖33 輸入AB=01時輸出圖像</p><p>　?。?）. 設輸入源A處, Power=1 輸入源B處, Power=0 記錄圖象及輸出口功率數(shù)

76、值如下圖：</p><p>　　圖34 輸入AB=10時輸出圖像</p><p>　?。?）. 設輸入源A處, Power=1, 輸入源B處, Power=1, 記錄圖象及輸出口功率數(shù)值如下圖：</p><p>　　圖35 輸入AB=11時輸出圖像</p><p>　　根據(jù)真值表可以看出，與真值表邏輯完全符合，所以第二類1位比較器構造成功。&

77、lt;/p><p><b>　　2.二位比較器</b></p><p>　　真值表如下：（注：A1A2與B1B2進行比較，且當大于等于時輸出為0）</p><p>　　表4 第二類二位比較器真值表</p><p>　　化簡后可以得到其邏輯表達式為：Y=B1+B2（+B1）</p><p>　　構造出的

78、結(jié)構圖如下：</p><p>　　圖36 第二類二位比較器結(jié)構圖</p><p>　　雖然此結(jié)構基本搭建完成，但經(jīng)過很多次的參數(shù)嘗試，仍得不到很好的數(shù)據(jù)，由于存在相位延遲等問題，致使無法得到輸出結(jié)果。</p><p>　?。ㄈ?第三類：≤, ></p><p><b>　　1.一位比較器</b></p&g

79、t;<p>　　表5 第三類一位比較器真值表</p><p>　　由真值表可得到： =A，所以Y=+B；由邏輯表達式可以看出，第三類一位比較器與第二類一位比較器很相似；我們只需將兩個輸入對換，即可得到結(jié)構。結(jié)構圖以及輸出結(jié)果與其一致，所以這里不做贅述。</p><p><b>　　2.兩位比較器：</b></p><p><

80、b>　　真值表如下：</b></p><p>　　表6 第三類二位比較器真值表</p><p>　　化簡之后得到邏輯表達式為：Y=A1+A2(A1+），由邏輯表達式可以看出，第三類兩位比較器與第二類兩位比較器很相似；只是需要將A1與B1輸入對換，同時將A2與B2輸入對換，即可得到結(jié)構與輸出結(jié)果，這里不再贅述。</p><p><b>　　

81、（四）新型比較器</b></p><p>　　以上我通過基本邏輯門構造出了三類比較器，這些比較器時類似于數(shù)字形式的比較器，對于固定的邏輯0或1做比較是可以的，但是不能很好的人為控制比較點。下面將通過嘗試構造出新型的，類似于模擬比較器的光比較器。</p><p>　　下圖為諧振曲線與設想的十字一位比較器的結(jié)構：（Pout為參考光輸出功率，Pin為控制信號光輸入功率，Po為參考光輸

82、入功率，且參考光P0=1, 控制光Pin為可變參數(shù)。Monitor監(jiān)測記錄Pout的值）</p><p>　　圖37 諧振曲線與設想的十字一位比較器的結(jié)構</p><p>　　它的原理是通過設定中間藍色非線性介質(zhì)桿的參數(shù)，來設定一定幅度的閾值（根據(jù)需要設定）。當控制信號小于該閾值時，非線性桿折射率的變化不明顯，橫向處于理想周期結(jié)構狀態(tài)，垂直通道阻斷，參考光無法通過，輸出為邏輯0；當控制信號

83、大于該閾值時，非線性折射率變化明顯，缺陷層介電常數(shù)變化，水平諧振腔失諧，變成諧振腔，發(fā)生諧振遂穿，垂直通道打開，輸出為邏輯1。腔的參數(shù)和諧振曲線的鋒銳程度將影響閾值的值。</p><p>　　首先我們的目的：找突變點P1。通過設置中部缺陷介質(zhì)桿（藍色）直徑或非線性參數(shù)，使得入射光在P1處出現(xiàn)跳變點。所謂的跳變點為Pout突然變大的缺陷桿參數(shù)值。而諧振點為Pin與Pout值可以同時很大的缺陷桿參數(shù)值。</p&

84、gt;<p>　　以上結(jié)構基本參數(shù)首先設置：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)（周圍環(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，可計算出工作波長Free Space Wavelength為(1/0.336) *Period，即2.9762.中部藍色圓柱是克爾非線性介質(zhì)桿，參

85、數(shù)設置為：設頻率無窮大處的相對介電常數(shù)Epsilon at Infinity為3.15，二階歸一化非線性系數(shù)Chi2為0,三階歸一化非線性系數(shù)Chi3為0。黃色為微調(diào)介質(zhì)桿，半徑Radius2為0.18。設一個探測器Time Moniter在出口處（綠色），監(jiān)視輸出Power，并記錄下來。</p><p><b>　　調(diào)試過程如下：</b></p><p>　　1.首

86、先其他參數(shù)不變，設置一個變量bj，將中部藍色圓柱的半徑設置為變量bj，兩個輸入端功率均設置為1，用Scan Variable工具，bj在區(qū)域0.15-0.3掃描，間隔取0.001，記錄Pout值曲線如下：</p><p>　　圖38 掃描半徑輸出圖像</p><p>　　由上圖可知，當半徑取值為0.25195時，出現(xiàn)諧振點。 </p><p>　　2.首先將中部藍色

87、圓柱的半徑值設置為第一步得到的值，即0.25195，其他參數(shù)不變。定義變量bc，將Free Space Wavelength改為(1/bc) *Period，其他參數(shù)不變，用Scan Variable工具，bc在區(qū)域0.32-0.35掃描，間隔取0.002，記錄Pout值曲線如下：</p><p>　　圖39 掃描波長輸出圖像</p><p>　　由于上圖為粗掃，所以再將bc在區(qū)域0.33

88、4-0.338進行細掃，間隔取0.0005，Pout值曲線如下：</p><p>　　圖40 細掃波長后輸出結(jié)果</p><p>　　由結(jié)果可以得到，在bc取0.336的時候，存在諧振點。</p><p>　　3.將Free Space Wavelength改為(1/0.336) *Period，即第二部得到的結(jié)果，設置變量eps，將中部圓柱頻率無窮大處的相對介電常

89、數(shù)Epsilon at Infinity設置為eps變量，其他參數(shù)與第二部相同，用Scan Variable工具，eps在區(qū)域2-5掃描，間隔取0.1進行粗掃，記錄Pout值曲線如下：</p><p>　　圖41 掃描eps后輸出圖像</p><p>　　再將eps在區(qū)域2.9-3.4進行細掃描，間隔取0.001，Pout值曲線如下：</p><p>　　圖42 細

90、掃eps后輸出圖像</p><p>　　4.經(jīng)過很多組數(shù)據(jù)的嘗試（主要變化中部圓柱頻率無窮大處的相對介電常數(shù)Epsilon at Infinity和chi3），得到以下數(shù)據(jù)：</p><p>　　A．當Epsilon at Infinity=3.11 chi3=0.0011</p><p>　　圖43當Epsilon at Infinity=3.11 c h

91、i3=0.0011時輸出圖像</p><p>　　B．當Epsilon at Infinity=3.11 chi3=0.0013</p><p>　　圖44 當Epsilon at Infinity=3.11 c hi3=0.0013時輸出圖像</p><p>　　C．當Epsilon at Infinity=3.195 chi3=0.001</p&

92、gt;<p>　　圖45當Epsilon at Infinity=3.195 c hi3=0.001時輸出圖像</p><p>　　可以得到以下結(jié)論：固定Epsilon at Infinity而增加chi3的數(shù)值時，最高點會向左平移，同時輸出功率有所下降；而固定chi3，增大Epsilon at Infinity時，輸出圖像的跳變點會向左平移，同時輸出功率值會下降。</p><

93、p>　　雖然輸出圖像已經(jīng)出現(xiàn)了預期的效果，但是明顯看出存在著一些問題，例如：輸出功率不夠高，對比度不夠好，以及跳變點不夠明顯等問題。</p><p><b>　　六、結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)過了半年的辛勤努力，終于對于本課題有了一定得結(jié)果，在研究的過程當中有過無數(shù)次的失敗，但我們沒有放棄，而是在老師的細心教導下不斷的嘗試，下面將總結(jié)下獲得的結(jié)果：&

94、lt;/p><p>　　第一類比較器一位和二位結(jié)構構建成功，并且邏輯輸出值與預期效果一致。</p><p>　　第二類比較器一位和二位結(jié)構構建成功，并且一位輸出結(jié)邏輯值與預期一致，但是二位比較器沒有做出理想的輸出結(jié)果。（主要是因為相位延遲以及光損耗導致）</p><p>　　第三類結(jié)果與第二類一致</p><p>　　新型比較器的結(jié)構構造成功，&

95、lt;/p><p>　　通過對本課題的研究，使我深入了解了光子晶體的概念、結(jié)構以及應用，學會了使用光子晶體搭建光學邏輯門，以及使用光學邏輯門組建更為復雜的光學器件。畢業(yè)設計不僅僅使我學習了光子晶體的相關者知識，更重要鍛煉了我的分析和研究的能力，讓我學會怎樣從一個陌生的課題，慢慢深入，以達到研究的目的，這將是我受益一生的財富。</p><p><b>　　參考文獻</b>&

96、lt;/p><p>　　【1】王亞平等. 用于幀頭識別的全光比較器的最新研究進展. 半導體光電，2008，29（5） </p><p>　　【2】曾玉，張洪濤. 光子晶體及其研究.江西藍天學院學報，2008 10，增</p><p>　　【3】許桂雯，歐陽征標.三種缺陷態(tài)光子晶體的比較研究.深圳大學學報理工版，2004，21（4）</p><p>

97、;　　【4】 歐陽征標，李景鎮(zhèn). 光子晶體的研究進展. 激光雜志 ，2000，21（2）</p><p>　　【5】 歐陽征標，劉海山 等 光子晶體超窄帶濾波器. 光子學報，2002，31（3） </p><p>　　【6】葉妹，韓曙. 開關級數(shù)字比較器設計研究. 電子學報， 19985，5</p><p>　　【7】祁建霞. 光子晶體及其應用. 西安郵電學院學報，

98、2007，12（5）</p><p>　　【8】黃侃，李海林，龍清. 光子晶體與光子晶體光纖. 艦船電子工程，2008年，1</p><p>　　【9】劉婭釗，李志遠. 光子晶體集成光電子器件.物理學和高新技術，2008，37（9）</p><p>　　【10】田潔，韓守振，程丙英等.物理學報，2005 5 4 ：1218</p><p>　

99、　【11】光子晶體詞條 http://baike.baidu.com/view/98845.htm </p><p>　　【12】光子晶體詞條 http://iask.sina.com.cn/b/7509150.html?from=related</p><p>　　【13】阿不都熱蘇力.新型的光子晶體材料.http://www.dzsc.com/data/html/2007-4-30/

100、38816.html</p><p>　　【14】方云團,沈廷根,譚錫林. 一維光子晶體摻雜缺陷模研究[J ] . 光學學報, 2004 , 24 (11) : 1557～1560</p><p>　　【15】Cebr owski, Arthur K , VAdm, US N, and Garstka,John J . Net work Centric Warfare: Its Origi

101、n and Future [ J ].Pr oceedings of the Naval I nstitute, 1998, 124 (1) : 28～35</p><p>　　【16】Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid- state physics and electronics [ J ] . Phys. Rev. Let t ,19

102、87 ,58 : 2059 – 2062</p><p>　　【17】] J IANG Hai2tao , L IU Nian2hua. Localized mode of photon2ic crystal with a nonlinear defect [J ] . Acta Optica Sinica ,2004 , 22 (4) : 3852388 (in Chinese)</p><

103、p>　　【18】Monro T M , Richardson D J . Holey optical fibers : fun2damental properties and device applications [J ] . C. R.Physique , 2003 , 4 (4) :175 – 186</p><p><b>　　致謝</b></p><p&g

104、t;　　感謝我的導師歐陽征標教授和許桂雯老師，他們嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。本設計在兩位老師悉心指導和嚴格要求下完成，從課題選擇、方案論證到具體設計和調(diào)試，無不凝聚著兩位老師的心血和汗水，在四年的本科學習和生活期間，也始終感受著導師的精心指導和無私的關懷，我受益匪淺。在此向兩位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。     

105、  不積跬步何以至千里，本設計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向深圳大學，電子科學與技術學院的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們四年來的辛勤栽培。</p><p>　　Design of Optical Comparators</p><p>　　【

106、Abstract】</p><p>　　Photonic Crystals have some unique ability of control ,for example, Local, reflection, transmission, sub-beam, coupling, modulation, slow light and so on .so it is important material of p

107、hotoelectron. And comparator as the basic logic unit,which application of a wide range of industry standard components,so can be successfully developed optical comparator for the electronics industry has a remarkable sig

108、nificance. This paper described the principle of photonic crystals、structure a variety of o</p><p>　　【Key words】</p><p>　　Photonic crystal; comparators; defects; truth table; logical expression