第一篇：空間可展開機構(gòu)在航天工程中的應(yīng)用-調(diào)研報告

<空間可展開機構(gòu)在航天工程中的應(yīng)用>——報告調(diào)研范圍：

1.空間可展開機構(gòu)的特點；

2.空間可展開機構(gòu)在航天工程中的作用；

3.空間可展開機構(gòu)在典型航天任務(wù)中的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)形式和特點；

4.空間可展開機構(gòu)的發(fā)展趨勢。

第二篇：FPGA調(diào)研報告-FPGA在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

FPGA技術(shù)調(diào)研：FPGA在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

1．引言

現(xiàn) 場 可 編 程 門 陣 列(Field programmable gatearrays，F(xiàn)PGA)是一種可編程使用的信號處理器件，用戶可通過改變配置信息對其功能進行定義，以滿足設(shè)計需求。與傳統(tǒng)數(shù)字電路系統(tǒng)相比，F(xiàn)PGA 具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點，通過配置器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將原來電路板級的設(shè)計放在芯片中進行，提高了電路性能，降低了印刷電路板設(shè)計的工作量和難度，有效提高了設(shè)計的靈活性和效率。設(shè)計者采用 FPGA 的優(yōu)點：

(1)減少對所需器件品種的需求，有助于降低電路板的體積重量；

(2)增加了電路板完成后再修改設(shè)計的靈活性；

(3)設(shè)計修改靈活，有助于縮短產(chǎn)品交付時間；

(4)器件減少后，焊點減少，從而可提高可靠度。尤其值得一提的是，在電路運行頻率越來越高的情況下，采用 FPGA 實現(xiàn)的復(fù)雜電路功能減小了板級電路上 PCB 布線不當(dāng)帶來的電磁干擾問題，有助于保證電路性能。

FPGA 也 是 現(xiàn) 階 段 航 天 專 用 集 成 電 路（ASIC, Application specific integrated circuit）的最佳實現(xiàn)途徑。使用商用現(xiàn)貨 FPGA 設(shè)計微小衛(wèi)星等航天器的星載電子系統(tǒng)，可以降低成本。利用 FPGA 內(nèi)豐富的邏輯資源，進行片內(nèi)冗余容錯設(shè)計，是滿足星載電子系統(tǒng)可靠性要求的一個好辦法。目前，隨著對衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展、用戶技術(shù)指標(biāo)的不斷提高以及市場競爭的日益激烈，功能度集成和輕小型化已經(jīng)成為星載電子設(shè)備的一個主流趨勢。采用小型化技術(shù)能夠使星載電子設(shè)備體積減小、重量減輕、功耗降低，提高航天器承載有效載荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以減小印制板的尺寸，減少焊盤數(shù)量，還有利于充分利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的容錯能力。星載數(shù)字電路小型化的關(guān)鍵是器件選用，包括嵌人式高集成度器件的選用，其中，高密度可編程邏輯器件 FPGA 的選用是一個重要的實現(xiàn)方式。

目前，在航天遙感器的設(shè)計中，F(xiàn)PGA 被廣泛地應(yīng)用于主控系統(tǒng) CPU 的功能擴展CCD 圖像傳感器驅(qū)動時序的產(chǎn)生以及高速數(shù)據(jù)采集。本文回顧了 FPGA 的發(fā)展，分析了其主要結(jié)構(gòu)，并對航天應(yīng)用 FPGA 進行了綜述。指出了航天應(yīng)用對FPGA 及其設(shè)計的要求，重點分析了空間輻射效應(yīng)對FPGA 可靠性的影響，并總結(jié)了提高 FPGA 抗輻照的可靠性設(shè)計方法。最后，對航天應(yīng)用 FPGA 的發(fā)展進行了展望。

2.FPGA 航天應(yīng)用

可編程邏輯器件以其設(shè)計方便、設(shè)計便于修改、功能易于擴展，在航天、空間領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一種是以 Actel 公司產(chǎn)品為代表的一次編程反熔絲型 FPGA，一種是以 Xilinx 公司產(chǎn)品為代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。

2.1 航天應(yīng)用 FPGA 的分類 FPGA 按其編程性，目前具有航天成功應(yīng)用經(jīng)驗的 FPGA 主要有兩類： 一類是只能編程一次的一次性編程 FPGA。另一類是能多次編程的可重編程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、Flash 型 FPGA，這類 FPGA 一般具有在系統(tǒng)編程(ISP, In system programming)能力。

2.1.1 一次性編程 FPGA 此類產(chǎn)品采用反熔絲開關(guān)元件，具有體積小、版圖面積小、低抗輻射抗干擾、互連線特性阻抗低的特點，不需要外接 PROM 或 EPROM，掉電后電路的配置數(shù)據(jù)不會丟失，上電后即可工作，適用于航天、軍事、工業(yè)等各領(lǐng)域。這類產(chǎn)品中，具有代表性并已取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗的產(chǎn)品是 ACTEL 公司的抗輻射加固反熔絲型 FPGA。與傳統(tǒng) FPGA平面型散布 的 邏 輯 模 塊、連 線、開關(guān)矩陣的布局不同，反熔絲型 FPGA 采用緊湊、網(wǎng)格化密集布局的平面邏輯模塊結(jié)構(gòu)。利用位于上下邏輯模塊層之間、金屬對金屬的可編程反熔絲內(nèi)部連接元件實現(xiàn)器件的連接，減小了通道和布線資源所占用的空間。在編程之前，該連接元件為開路狀態(tài)，編程時，反熔絲結(jié)構(gòu)局部的小區(qū)域內(nèi)具有足夠高的電流密度，瞬間產(chǎn)生較大的熱功耗，融化絕緣層介質(zhì)形成永久性通路。

2.1.2 可重編程 FPGA 此類產(chǎn)品采用 SRAM 或 Flash EPROM 控制的開關(guān)元件，其優(yōu)點是可反復(fù)編程。配置程存放在 FPGA外的存儲器中，系統(tǒng)上電時，配置程加載到 FPGA中完成硬件功能的定制化。其中，SRAM 型 FPGA 還可以在系統(tǒng)運行中改變配置，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)重構(gòu)。但是，此類 FPGA 掉電后存儲的用戶配置邏輯會丟失，只能上電后重新由外部存儲器加載。FlashEPROM 型 FPGA 具 有 非 易 失 性 和 可 重 構(gòu) 的 雙 重 優(yōu)點，但不能動態(tài)配置，功耗也比 SRAM 型 FPGA 高。此類 FPGA 由于配置數(shù)據(jù)存儲在 FPGA 內(nèi) 的 SRAM存儲器中，可編程邏輯開關(guān)采用多路選擇器實現(xiàn)，內(nèi)部邏輯功能采用基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的查找表實現(xiàn)，這些部位都屬于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。因此，在航天應(yīng)用中要特別注意。具有代表性的、并取得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗的產(chǎn)品是 Xilinx 公司的基于SRAM 型 Virtex 系列的 FPGA 產(chǎn)品。

2.2 FPGA 航天應(yīng)用現(xiàn)狀

FPGA 在國內(nèi)外的航天、空間領(lǐng)域，特別是商用衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)外深空探測、科學(xué)及商用衛(wèi)星共 60 個項目中都用到了 FPGA，軍用衛(wèi)星項目中也有多個項目用到 FPGA。

2.2.1 Acte FPGA 的航天應(yīng)用

Actel 的耐輻射和抗輻射 FPGA 自從在 1997 年火星探路者（Mars Pathfinder）以及隨后的勇氣號、機遇號任務(wù)中取得成功后，其 FPGA 繼續(xù)用于 NASA、ESA 的火星探測任務(wù)。Actel 的耐輻射和抗輻射器件用于火星探測器的控制計算機，執(zhí)行從地球到火星6 個月飛行的導(dǎo)航功能。在火星探索者漫游器（ExplorerRover）的照相機、無線通信設(shè)備中均采用了 Actel 器件。ESA 的火星快車軌道衛(wèi)星中，固態(tài)記錄器使用了 20 多個 Actel FPGA 器件。Actel 公 司 的 FPGA 器 件 已 用 于 德 國 航 天 領(lǐng) 域(DLR)雙光譜紅外探測(BIRD)衛(wèi)星中。BIRD 是全球首個采用紅外傳感器技術(shù)的衛(wèi)星，以探測和研究地球上的高溫事件，如森林山火、火山活動、油井和煤層燃燒等。超過 20 個高可靠性 FPGA 用干衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)處理、存儲器管理、接口和控制、協(xié)處理以及紅外攝影機的傳感器控制等多個關(guān)鍵性功能中。

2.2.2 Xilinx FPGA 的航天應(yīng)用

同 ACTEL 相比，Xilinx 公司用于航天、空間領(lǐng)域的產(chǎn)品研制較晚，但是，其功能強大、性能高、可重新配置的民用塑封產(chǎn)品向宇航級產(chǎn)品的過渡、全面提高抗空間輻射能力，逐漸成為空間電子產(chǎn)品設(shè)計中常用的 FPGA 產(chǎn)品，并將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。Xilinx 的 Virtex 耐輻射 FPGA 被用于 2003 年發(fā)射的澳大利亞的軍民混用通信衛(wèi)星 Optus CL，在衛(wèi)星的 UHF 有效載荷中，Xilinx Virtex FPGA(XQVB300）用來實現(xiàn)地球數(shù)據(jù)的信號處理算法，并使用了 Xilinx提供的 IP 核。

Xilinx 的加固 FPGA XQR4062XL 被用于 2002 年發(fā)射的澳大利亞科學(xué)衛(wèi)星 Fedsat（聯(lián)合衛(wèi)星，用于研究磁層）的高性能計算有效載荷。HPC-1 是第一例在星載計算機系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)運行中采用 FPGA 實現(xiàn)了可配置計算技術(shù) RCT。目前正在開發(fā)的 RHC-II 將使用Xilinx FPGA 實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)處理。

此 外，GRACE(NASA）的 敏 感 器 中 使 用 了XQR4O36XL 產(chǎn)品。

在火星探測漫游器 Discovery 和 Spirit 中都成功應(yīng)用了 Xilinx FPGA 產(chǎn)品。兩片宇航 FPGA VirtexTMFPGA XQVR100O 被用于火星漫游器車輪電機控制、機械臂控制和其他儀表中，4 片耐輻照 4000 系列的FPGA XQR4062XL 用于控制火星著陸器的關(guān)鍵點火設(shè)備，保證著陸器按規(guī)定程序下降及成功著陸。歐洲第一個彗星軌道器和著陸器 ROSETTA 上總共有 45 片 FPGA，都選用 ACTEL RT14I00A，承擔(dān)了控制、數(shù)據(jù)管理、電源管理等重要功能，并且飛行中任何一片 FPGA 都不得斷電。

Xilinx 最新發(fā)布的 Virtex-5QVFPGA 具有非常高的抗輻射性，TID 耐性為 700 kraD 以上，SEU（Sin-gle Event Upset，單粒子翻轉(zhuǎn)）閂鎖（Latch Up）耐性超過 100 MeV·cM2/Mg，主要面向人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的遙感處理、圖像處理以及導(dǎo)航儀等用途。因此，基于 FPGA 系統(tǒng)構(gòu)成無需為了輻射措施而增加冗余，可以削減系統(tǒng)開發(fā)所需要的時間和成本。其規(guī)模也達到了 13 萬個邏輯單元，集成了最高速度為 3.125 Gbit/s的高速收發(fā)器，并強化了 DSP 功能，作為航天領(lǐng)域用 FPGA 中屬業(yè)界最高水準(zhǔn)。

3.輻射效應(yīng)及其影響

航天、空間電子設(shè)備由于其所處的軌道以及使用環(huán)境的不同, 受到的輻射影響也不相同。從總體上來說，對 FPGA 影響比較大的輻射效應(yīng)主要有: 總劑量效應(yīng)(TID: Total ionizing Dose)、單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU: Single event upset)、單 粒 子 閂 鎖(SEL: Single event latchup)、單粒子功能中斷(SEFI: Single event func-tional interrupt)、單 粒 子 燒 毀(SEB: Single eventburnout)、單 粒 子 瞬 態(tài) 脈 沖(SET: Single event tran-射效應(yīng)產(chǎn)生的機理不盡相同, 引起 FPGA 的失效形式也不同。總劑量效應(yīng)： 光子或高能離子在集成電路的材料中電離產(chǎn)生電子空穴對，最終形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導(dǎo)體材料的界面處形成界面陷阱電荷，使器件的性能降低甚至失效。單粒子翻轉(zhuǎn)： 具有一定能量的重粒子與存儲器件或邏輯電路 PN 結(jié)發(fā)生碰撞, 在重粒子運動軌跡周圍形成的電荷被靈敏電極收集并行成瞬態(tài)電流，如果電流超過一定值就會觸發(fā)邏輯電路, 形成邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域是指 FPGA 中易于受到單粒子效應(yīng)影響的區(qū)域，包括 FPGA 的配 置 存 儲 器、DCM、CLB、塊存儲區(qū)域。

單粒子閂鎖： CMOS 器件的 PNPN 結(jié)構(gòu)成了可控硅結(jié)構(gòu)。質(zhì)子或重粒子的入射可以觸發(fā) PNPN 結(jié)導(dǎo)通, 進入大電流再生狀態(tài)，產(chǎn)生單粒子閂鎖。只有降低電源電壓才能退出閂鎖狀態(tài)。單粒子功能中斷： 質(zhì)子或重粒子入射時引起器件的控制邏輯出現(xiàn)故障，進而中斷正常的控制功能。FPGA 中單粒子功能中斷的敏感部分為配置存儲器、上電復(fù)位電路、SelectMAP 接口和 JATAG 接口。

單粒子燒毀： 入射粒子產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導(dǎo)致敏感的寄生雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。雙極結(jié)晶體管的再生反饋機制造成收集結(jié)電流不斷增大，直至產(chǎn)生二次擊穿，造成漏極和源極的永久短路，燒毀電路。FPGA發(fā)生單粒子燒毀的概率較小。單粒子瞬態(tài)脈沖： 帶電粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流脈沖影響到下一級邏輯電路的輸入，造成該邏輯電路輸出紊亂。單粒子瞬態(tài)脈沖可能引起 FPGA 內(nèi)部邏輯電路的短時錯誤。單粒子瞬態(tài)脈沖對于＜0.25 μM 工藝的 FPGA 影響較大。

位移損傷： 單粒子位移損傷是單個粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性損傷。

上述輻射效應(yīng)對 FPGA 造成的影響有的是永久性的，如總劑量效應(yīng)、單粒子燒毀、位移損傷； 有的是能夠恢復(fù)的，如單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒 子 瞬 態(tài) 脈 沖。以 上 單 粒 子 效 應(yīng) 中 SEL、SEB 和SEGR 均有可能對器件造成永久性損傷。因此，一般星上系統(tǒng)都會采用抗 SEL 的器件。SEU 和 SET 雖然是瞬時影響，但其發(fā)生率遠高于以上 3 種，反而更應(yīng)引起重視。接下來根據(jù)對上述輻射影響的分析，研究提高 FPGA 抗輻射效應(yīng)的可靠性設(shè)計方法。

隨著 SRAM 型的 FPGA 隨 著 工 藝 水平的 提 高、規(guī)模的增大和器件核電壓的降低，抗總劑量效應(yīng)性能不斷提高，但是更容易受 SEU 和 SET 的影響。針 對 單 粒 子 效 應(yīng) 的 問 題，MAPLD、NSREC、RADECS 會議提交的報告認為，Virtex-II 系列產(chǎn)品抗總 劑 量 輻 射 能 力 達 到 200 krad，抗 SEL 的 能 力 為LET 160 MeV·cm /mg 以下無閂鎖，同時，需要考慮SEU、SET、SEFL 等單粒子效應(yīng)

4.航天應(yīng)用 FPGA 的可靠性設(shè)計

在航天、空間電子設(shè)備中，F(xiàn)PGA 主要用于替換標(biāo)準(zhǔn)邏輯，還用于 SOC 技術(shù)，提供嵌人式微處理器、存儲器、控制器、通信接口等。其中，可靠性是FPGA 設(shè)計的主要需求。

根據(jù)功能及其重要性的不同，空間電子系統(tǒng)設(shè)計分為關(guān)鍵與非關(guān)鍵兩大類，航天器控制為關(guān)鍵類，科學(xué)儀表為非關(guān)鍵類。航天器控制系統(tǒng)對 FPGA 的一般需求： 高可靠、抗輻射加固和故障安全?？茖W(xué)儀器對 FPGA 的設(shè)計要求一般為高性能、耐輻射和失效安全，其可靠性則是由性能需求決定的，對 FPGA 的需求也因系統(tǒng)而異，如測量分辨率、帶寬、高速存儲、容錯能力等。航天用 FPGA 的可靠性設(shè)計主要通過器件自身的硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計來實現(xiàn)。4.1 FPGA 的硬件可靠性設(shè)計

FPGA 的硬件可靠性設(shè)計主要是針對空間輻射效應(yīng)的影響，借助制造工藝和設(shè)計技術(shù)較為徹底地解決了單粒子效應(yīng)防護問題。一般從以下幾個方面進行設(shè)計[6]： FPGA 整體設(shè)計加固、內(nèi)部設(shè)計間接檢測輻射效應(yīng)的自檢模塊、引入外部高可靠性的監(jiān)測模塊。

整體加固設(shè)計是指在電子設(shè)備的外面采用一定厚度的材料進行整體輻射屏蔽，減少設(shè)備所受的輻射效應(yīng)，經(jīng)常采用的材料有鋁、鉭和脂類化合物等。這種方法在航天電子元器件中使用較多，也比較成熟。例如，作為美國軍用微電子產(chǎn)品主要供應(yīng)商的Honeywell，加固 ASIC 技術(shù)覆蓋范圍寬。Aeroflex 采用 “設(shè)計加固、商用 IC 工藝線流片” 的方式提供性能先進的加固 ASIC 產(chǎn)品，具備數(shù)?；旌霞庸?ASIC的研制能力。這種采用商業(yè)線流片生產(chǎn)軍用和加固微電子產(chǎn)品的技術(shù)線路，既有利于擺脫工藝加固對器件發(fā)展的約束，又有利于滿足用戶對先進加固器

件的需求，降低成本，縮短供貨時間。Atmel 為用戶提供了高性能、小尺寸、低功耗的各類器件的工藝資源，包括用于航天的耐輻照高速、低 功 耗 數(shù) 模 混 合 CMOS 工 藝 以 及 內(nèi) 嵌 EEPROM 的CMOS 工藝。國內(nèi)從事軍用微電子器件研制的單位很多，包括國有科研單位和非國有 IC 研制公司。但是，能夠完成抗輻照加固 IC 研制的單位并不多。國內(nèi)自行研制的加固 ASIC 產(chǎn)品已經(jīng)在衛(wèi)星中得到了成功應(yīng)用。采用體硅外延層，也可以防止發(fā)生 SEI。例如，Xilinx 的 virtex-II 耐輻射產(chǎn)品是在軍品等級器件的基礎(chǔ)上進一步采用外延襯底設(shè)計，抗總劑量電離效應(yīng)能力按照 MIL-STD-883 Method 1019 進行批次采樣考核。自檢模塊的目的是通過某些模塊的正常運行來預(yù)測整個 FPGA 運行的正常性。自檢模塊由分布在FPGA 重要布線區(qū)域附近的簡單邏輯電路實現(xiàn)，也可以由多模冗余模塊表決結(jié)果或者余數(shù)檢測法以及奇偶校驗法等其他產(chǎn)生的結(jié)果直接提供輸出。4.2 FPGA 的軟件可靠性設(shè)計

航天應(yīng)用 FPGA 的軟件可靠性設(shè)計是指應(yīng)用軟件程序配置來屏蔽輻射效應(yīng)造成的運行失常。其中，冗余設(shè)計方法是被公認為比較可靠的對付輻射效應(yīng)的方法。常用的冗余設(shè)計有三模冗余法(TMR，Triplemodule redundancy)和部分三模冗余法(PTMR，Partialtriple module redundancy)。雖然 TMR 能夠提高系統(tǒng)的可靠性，但也會使模塊速度降低、占用資源和功率增加。綜合考慮其他設(shè)計指標(biāo)，可以根據(jù)實際情況對關(guān)鍵部分使用部分三模冗余法。冗余結(jié)構(gòu)盡管可以保證系統(tǒng)可靠性，但卻不能及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤，或為發(fā)現(xiàn)錯誤而引入了過多的組合邏輯，當(dāng)應(yīng)用于 FPGA 時，增加了容錯電路自身出錯的可能性。除此之外，星載系統(tǒng)無人值守的運行特點使得系統(tǒng)重構(gòu)與故障恢復(fù)也非常困難。

對配置存儲器的回讀校驗和重配置[6](或局部重配置)是一種有效的抵抗輻射效應(yīng)的方法，通過對部分配置的重加載能夠修復(fù) SEU 效應(yīng)造成的影響，其頻率應(yīng)是最壞情況 SEU 效應(yīng)發(fā)生率的 10 倍。在重加載邏輯設(shè)計中，需要對重加載的實現(xiàn)方式、加載內(nèi)容進行仔細設(shè)計，并不是所有的內(nèi)容都可以重加載，也不是所有的內(nèi)容都需要重新配置。

在系統(tǒng)設(shè)計中，采用高可靠性的反熔絲 FPGA負責(zé)從非易失大容量存儲器中讀取 Xilinx FPGA 的配置數(shù)據(jù)對其進行配置。在運行期間，對最容易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲器按列進行讀操作，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比對，對出現(xiàn)錯誤的列進行局部重配置。FPGA的可編程IO也容易受到輻射粒子影響產(chǎn)生 SEU 和 SEL。對輸入輸出腳設(shè)計三模冗余設(shè)計方法是一種非常有效方法，但是這種方法將需要占用 3 倍的 I/O 資源。如果 SET 作用在時鐘電路或者其他數(shù)據(jù)、控制線上容易產(chǎn)生短脈沖抖動，有可能會造成電路的誤觸發(fā)或者數(shù)據(jù)鎖存的錯誤，在設(shè)計時可采用同步復(fù)位設(shè)計內(nèi)部復(fù)位電路、控制線使能信號線，邏輯數(shù)據(jù)在鎖存時盡可能配合使能信號。

5.FPGA 航天應(yīng)用發(fā)展趨勢

目前，在深微亞米半導(dǎo)體工藝下，傳統(tǒng)的 FPGA設(shè)計技術(shù)在器件良率、功耗、互聯(lián)線延時、信號完整性、可測性設(shè)計等方面面臨挑戰(zhàn)[9]?；趥鹘y(tǒng)技術(shù)的 FPGA 仍然在向高密度、高性能、低功耗的方向發(fā)展，使得 FPGA 從最開始的通用型半導(dǎo)體器件向平臺化的系統(tǒng)級器件發(fā)展?；诋惒诫娐返?FPGA 設(shè)計、3D 集成技術(shù)、新型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將是 FPGA 技術(shù)發(fā)展的熱點。航天、空間應(yīng)用方面，國外航天對 FPGA 空間應(yīng)用的總結(jié)和預(yù)測分析表明，空間應(yīng)用對 FPGA 選用呈現(xiàn)出以下趨勢：

(1)器件工作電壓從 5 V 變?yōu)?3.3 V、2.5 V 甚至l.8 V；（2）從使用總劑量加固 FPGA 發(fā)展到使用耐總劑量 FPGA 產(chǎn)品；

(3)從 SEU 敏感寄存器 FPGA 的應(yīng)用發(fā)展為使用內(nèi)建寄存器 TMR 結(jié)構(gòu)的 FPGA；(4)從只使用一次編程的反熔絲型 FPGA 發(fā)展為使用基于 SRAM/EEPROM 的可重置型 FPGA。這種選用趨勢帶來的突出問題是： 從寄存器對SEU 敏感變?yōu)?FPGA 對 SEU 敏感； 配置存儲 FPGA的設(shè)計復(fù)雜性已經(jīng)同 ASIC 的復(fù)雜程度相當(dāng)。

6.結(jié)論

本文對航天應(yīng)用中 FPGA 的使用進行了 綜 述。分析了 FPGA 的結(jié)構(gòu)特點，針對航天、空間環(huán)境的輻照條件，分析了航天應(yīng)用 FPGA 的失效模式及可靠性設(shè)計方法。最后，對航天應(yīng)用 FPGA 及其可靠性設(shè)計技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

第三篇：淺談空間在園林景觀中的應(yīng)用

淺談空間在園林景觀中的應(yīng)用

摘要：本論文從空間的角度出發(fā)，通過現(xiàn)代審美及現(xiàn)代社會需求，分析現(xiàn)代廣場空間特色，并探討其在現(xiàn)代景觀空間中的運用，城市廣場的建設(shè)，不僅豐富了城市空間，更重要的是為市民提供了宜人的戶外綠色空間，滿足了人們休憩、娛樂、交流的需求。廣場是為人服務(wù)的,廣場空間與人的活動息息相關(guān)。

廣場空間的研究,從點、線、面、體等空間要素及空間的組合變化入手,更重要的是從人的自身尺度、心理感受出發(fā),進一步分析廣場空間設(shè)計的得與失,將會有助于進一步分析空間的結(jié)構(gòu)變化,對今后的理論及實踐都有指導(dǎo)意義。首先、城市廣場空間由底面、邊界和廣場中的構(gòu)筑物三部分組成。底面可以看作是地表,邊界是指突出于底面并圍合底面的實體,它可以是建筑,也可以是樹木、路燈或其它實體元素。而廣場中的裝飾物或其它功能性小品則可以看作是廣場中的構(gòu)筑物。其次、廣場空間構(gòu)成的物質(zhì)要素和精神要素是衡量廣場空間的重要指標(biāo)。物質(zhì)要素主要包括廣場的尺度、形態(tài)、圍合、肌理、高差等,精神要素包括廣場的使用和文脈,這些都對廣場的空間品質(zhì)有著很大的影響。物質(zhì)要素決定廣場空間的形態(tài)、空間的劃分、高差變化、空間的構(gòu)成方式及特點、與城市公共空間的關(guān)系等等。精神要素雖然是一種隱性要素,不能夠真實的被感知,但是它們以其特有的方式影響著廣場空間,是廣場中不可忽略的要素。通過對各要素的深入分析,找出它們與廣場空間的關(guān)系,為研究世園會入口廣場，及其里面的各個空間之間的內(nèi)在聯(lián)系。

本論文將從以下幾方面進行論述，一.空間的形態(tài)生成與組合形式，二.空間的類型與空間組合，三.空間構(gòu)成的形式及形式美規(guī)律。通過以上三個方面來對世園會入口廣場及園中建筑的空間進行論述。并且談?wù)搶W(xué)習(xí)空間組合在園林設(shè)計中的應(yīng)用，通過自己的實踐調(diào)研，將做如下的分析：

一：空間的形態(tài)生成與組合形式

空間形態(tài)是由空間、形體、輪廓、虛實、凹凸等各要素構(gòu)成，這些要素和實用功能是緊密聯(lián)系的。功能作為人們構(gòu)建空間環(huán)境的首要目的，而空間形式，形態(tài)是由功能的客觀存在而存在。當(dāng)然，不能說環(huán)境空間形式形態(tài)完全是由功能所決定，但環(huán)境空間的形式形態(tài)必須適合與功能要求。如西安世園會主入口大門廣運門

廣運門是2011西安世園會主入口，位于園區(qū)東北部，橫跨60米寬的世博大道，高峰期每小時可通行2萬多人。由踏步、水景、方塊式園藝花卉造型組成的坡道把上下之間聯(lián)系起來，與長安花谷渾然一體，以其恢宏的氣勢形成強烈的震撼效果。步行大橋橫跨世博大道，其設(shè)計概念緊扣西安園藝博覽會的主題，總平面布局始于吸納源自停車場人流的動線，進出人流各自分開。大門作為整個景觀園區(qū)的起點，運用植栽，水景等反映綠色園藝色彩的設(shè)計元素貫穿其中，橋上設(shè)植物廊架，有綠色植物攀爬其上，垂直綠化并提供遮陽。根據(jù)建筑的使用要求，也充分考慮了殘疾人的通行需求。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但是材料選擇上以自然的木材及地域性的花崗巖為點綴，中國元素亦巧妙的穿插其中。利用空間相互穿套的功能形式直接連通的多空間形態(tài)，這樣就不存在專供交通連接用的空間，關(guān)系緊密，并且具有明確的程序性和連續(xù)性，形成虛空間如圖

二．空間類型與空間組合

空間功能和空間設(shè)計的多樣性，決定了空間類型的復(fù)雜性和豐富性，空間是由實體的界面圍合而成的，不論是室內(nèi)空間還是室外，盡管室外空間的圍合體通常并不像室內(nèi)那樣具有六面實體，但是通過地面的平面實體造型，立面的柱、墻、植栽或水體等不同界面實體圍合分割組合的，如圖所示，玻璃和地面把空間一分為二

墻面是空間圍合體的主要因素之一，在空間組合中，墻是空間形態(tài)構(gòu)的側(cè)界面，一般以垂直形式出現(xiàn)。采用墻面進行空間分割，利用各種元素去處理墻體的虛實對比 如圖所示這樣的處理不僅在建筑上成為重要的因素，他作為空間用，同時在園林景觀空間上的處里也常見 ,左面的圖片是一個安靜休息，區(qū)，它的地面是由條石鋪裝，周圍是用樹木和墻圍合而成，給人們營造出不同的感覺，形成半開敞空間，與外界的關(guān)系較密切，當(dāng)人們右面的空間走到左面的空間是，必然還會形成強烈的對比作用，使人們感到頓時豁然開朗。

不同形狀的空間會給人們不一樣的感覺，設(shè)計者利用功能特點，適當(dāng)?shù)淖儞Q空間的形狀，從而借兩者的對比比作用以求得變化?？臻g的重復(fù)與變化在會給人們營造出不的感受，西安世園會遺址公園共有四個門，每個門前的廣場在空間的處理上不相同如圖錦繡門的空間和廣運門的與眾不不同，在入口我們會 看見如圖所示的空間，它的形成給游人們提供了乘涼的地方，同時也是一件供人們欣賞的藝術(shù)品。

三.空間構(gòu)成的形式及形式美規(guī)律

形式的屬性有形狀、空間、尺度、質(zhì)感，位置，要創(chuàng)造美的空間，就必須遵循形式的法則，形式美的規(guī)律空間的多空間形態(tài)。主體空間十分突出，主從關(guān)系分明，輔助空間直間依附于主體空間，二者聯(lián)系緊密。如長安塔在空間上二者共同為游人服務(wù)?？臻g設(shè)計以人為主，具有創(chuàng)造性和現(xiàn)實性。也體現(xiàn)了空間形式美的規(guī)律，變化與統(tǒng)一、對稱與均衡、重復(fù)與漸變、主從與重點、韻律與節(jié)奏、比例與尺度。

1.變化與統(tǒng)一

在重復(fù)和類似中加入不同的元素，所產(chǎn)生變化的度和質(zhì)的改變是由加入不同元素的多少而定，且不能影響特征和整體性。如世園會的園林空間風(fēng)格，都是用植物與建筑營造。但變化的風(fēng)格給人們不同的感覺。統(tǒng)一是構(gòu)成美的特征，是和諧的整體，是一種完整的感覺。如世園會的霸上人家就做到這一點，大空間統(tǒng)一，小空間不斷變化。充分體現(xiàn)統(tǒng)一多樣性。

2.對稱與均衡

對稱是一種控制重復(fù)圖形在構(gòu)成中位置和方向的特殊規(guī)則，均衡可以通過對稱、非對稱或中心配置實現(xiàn)。如歐陸風(fēng)情。兩側(cè)是歐洲園林建筑。中間是用是水池，水池兩邊列植圓柏，在對稱中體現(xiàn)了均衡。

3.重復(fù)與漸變

重復(fù)是在一個設(shè)計中多次使用?？蓜?chuàng)造視覺和諧感。漸變也在園林中廣泛應(yīng)用。如圖房子的重復(fù)，與地板鋪裝的漸變及重復(fù)，這樣就不會給人視覺上的疲勞感。4.主從與重點

在設(shè)計中，一定要做主從處理，這樣才能使之成為有機的整體。一個空間要有一個主體。才不會使整體平淡無奇。世園會以水體為構(gòu)圖中心。其他空間圍繞主體空間，之間既聯(lián)系又有區(qū)別。

5韻律與節(jié)奏

有規(guī)律的重復(fù)出現(xiàn)或有秩序的變化。并從中體現(xiàn)出的條理性。重復(fù)性和連續(xù)性具有的韻律美感和節(jié)奏美感。韻律美形式和規(guī)律在空間構(gòu)成和創(chuàng)作中廣泛應(yīng)用。世園會天津館充分利用這一點。創(chuàng)造出美輪美奐的意境。

6.比例與尺度

在空間設(shè)計中，應(yīng)好好考慮空間分割比例與尺度。充分利用形式美法則。在形式藝術(shù)上來喚醒人們的思想感情，讓人們?nèi)谌氲骄爸?，有種回歸自然的感覺。在世園會遺址公園的陜西省各市的展館應(yīng)用小空間，創(chuàng)造出不同地域文化的代表。四.分析植物在空間中的應(yīng)用

植物在空間上可以形成開敞空間，半開敞空間，封閉空間，世園會遺址公園，應(yīng)用植物的豐富多樣性營造出不同的空間，是園林設(shè)計的一個重點，不同的形狀和材料，其形式也是多種多樣的，這些構(gòu)成要素和形式既表達了空間的品質(zhì)和功能，同時也是一種空間到另一種空間的延展，在未來城市發(fā)展中，植物構(gòu)成空間的形式也會越來越受人關(guān)注.在現(xiàn)代的大多數(shù)城市中，雖然硬質(zhì)景觀占有絕對優(yōu)勢，但是一個追求優(yōu)質(zhì)景觀的園林，更應(yīng)單注重軟質(zhì)景觀的規(guī)劃與設(shè)計，而不應(yīng)把它當(dāng)成硬質(zhì)景觀的點綴。因為植物既可以美化環(huán)境又可以給變局部的小氣候，還可以構(gòu)成不同形式的空間，能給人一種安全性和私密性，是人親近自然，同時還能在園林植物配設(shè)計中利用有限的面積營造出多種形式的空間，從而創(chuàng)造出良好的環(huán)境和居住空間，因此，植物構(gòu)成空間在將來的景觀設(shè)計中一定會發(fā)生重要的作用。

五．參考文獻

1.薛健著.景觀與環(huán)境設(shè)計叢書-綠化空間與景觀設(shè)計

山東科學(xué)技術(shù)出版社，2005

2.段邦毅著.空間構(gòu)成與造型

中國電力出版社

3.彭一剛.空間組合論.北京：中國建筑工業(yè)出版社

2005

淺談空間在園林

景觀中的應(yīng)用

系別：建工系

班級：園林1001

姓名：邵立梅

學(xué)號：1045081031

第四篇：DFB激光器調(diào)研報告(在實際工程中的應(yīng)用)

分布反饋式半導(dǎo)體激光器在實際工程系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：DFB(Distributed Feed Back)DFB型光發(fā)射機，分布反饋（激光器）半導(dǎo)體激光器因其波長的擴展、高功率激光陣列的出現(xiàn)以及可兼容的激光導(dǎo)光和激光能量參數(shù)微機控制的出現(xiàn)而迅速發(fā)展、半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、成本低、波長可選擇，其應(yīng)用范圍遍及的領(lǐng)域越來越寬廣，其的出現(xiàn)帶來了巨大的變化，使科技更發(fā)達，人們生活更加豐富多彩，應(yīng)用范圍遍及醫(yī)學(xué)、科技、航天 交通，通信等各個領(lǐng)域。自從1962 年世界上第一臺半導(dǎo)體激光器(Diode Laser)發(fā)明問世以來, 由于其體積小、重量輕、易于調(diào)制、效率高以及價格低廉等優(yōu)點, 被認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一.四十幾年來半導(dǎo)體激光器逐步應(yīng)用在激光唱機、光存儲器、激光打印機、條形碼解讀器、光纖電信以及激光光譜學(xué)中, 不斷擴大應(yīng)用范圍, 進入了一些其它類型激光器難以進入的新的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵字:DFB、工作波長、邊模抑制比、閾值電流、輸出光功率

一、分布反饋式半導(dǎo)體激光器簡介

1、分布反饋式半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件.其工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間,或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)能級之間,實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時,便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式,光泵式和高能電子束激勵式.電注入式半導(dǎo)體激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射.光泵式半導(dǎo)體激光器,一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì),以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵.高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器,一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì),通過由外部注入高能電子束進行激勵.在半導(dǎo)體激光器件中,目前性能較好,應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反饋激光器，其不同之處是內(nèi)置了布拉格光柵（Bragg Grating），屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。目前，DFB激光器主要以半導(dǎo)體材料為介質(zhì)，包括銻化鎵、砷化鎵、磷化銦、硫化鋅等。DFB激光器最大特點是具有非常好的單色性（即光譜純度），它的線寬普遍可以做到1MHz以內(nèi)，以及具有非常高的邊摸抑制比（SMSR），目前可高達40-50dB以上。

2、分布反饋式半導(dǎo)體激光器的主要參數(shù)：a.工作波長：激光器發(fā)出光譜的中心波長。b.邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比。c.-20dB光譜寬度：由激光器輸出光譜的最高點降低20dB處光譜寬度。d.閾值電流：當(dāng)器件工作電流超過閾值電流時激光器發(fā)出相干性很好的激光。e.輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。

二、分布反饋式半導(dǎo)體激光器原理

分布反饋式半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料多是晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)大量原子規(guī)則而緊密地結(jié)合成晶體時，晶體中那些價電子都處在晶體能帶上。價電子所處的能帶稱價帶（對應(yīng)較低能量）。與價帶最近的高能帶稱導(dǎo)帶，能帶之間的空域稱為禁帶。當(dāng)加外電場時，價帶中電子躍遷到導(dǎo)帶中去，在導(dǎo)帶中可以自由運動而起導(dǎo)電作用。同時，價帶中失掉一個電子，則相當(dāng)于出現(xiàn)一個帶正電的空穴，這種空穴在外電場的作用下，也能起導(dǎo)電作用。因此，價帶中空穴和導(dǎo)帶中的電子都有導(dǎo)電作用，統(tǒng)稱為載流子。

摻雜半導(dǎo)體與p-n結(jié)。沒有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價帶之上形成了雜質(zhì)能級，分別稱為施主能級和受主能級。有施主能級的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；有受主能級的半導(dǎo)體稱這p型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使n型半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而p型半導(dǎo)體的大部分受主原子則俘獲了價帶中的電子，在價帶中形成空穴。因此，n型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電；p型半導(dǎo)體主要由價帶中的空穴導(dǎo)電。半導(dǎo)體激光器中所用半導(dǎo)體材料，摻雜濃度較大，n型雜質(zhì)原子數(shù)一般為（2－5）×1018cm-1；p型為（1－3）×1019cm-1。在一塊半導(dǎo)體材料中，從p型區(qū)到n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為p-n結(jié)。其交界面處將形成一空間電荷區(qū)。n型半導(dǎo)體帶中電子要向p區(qū)擴散，而p型半導(dǎo)體價帶中的空穴要向n區(qū)擴散。這樣一來，結(jié)構(gòu)附近的n型區(qū)由于是施主而帶正電，結(jié)區(qū)附近的p型區(qū)由于是受主而帶負電。在交界面處形成一個由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為自建電場。此電場會阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散。

p-n結(jié)電注入激發(fā)機理。若在形成了p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負極。顯然，正向電壓的電場與p-n結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對晶體中電子擴散運動的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴時，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價帶時，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導(dǎo)體場致發(fā)光的機理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。

圖中光柵的周期為A，稱為柵距。當(dāng)電流注入激光器后，有源區(qū)內(nèi)電子—空穴復(fù)合，輻射出能量相應(yīng)的光子，這些光子將受到有源層表面每一條光柵的反射。在DFB激光器的分布反饋中，此時的反射是布拉格發(fā)射，光柵的柵條間入射光和反射光的方向恰好相反。

滿足上式的那些特定波長的光才會受到強烈反射，從而實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作。式也稱為分布反饋條件（一般m取1）。

三、分布反饋半導(dǎo)體激光器反饋方式

普通結(jié)構(gòu)的分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)，在高速調(diào)制狀態(tài)下會發(fā)生多模工作現(xiàn)象，從而限制了傳輸速率。因此，設(shè)計和制作在高速調(diào)制下仍能保持單縱模工作的激光器是十分重要的，這類激光器統(tǒng)稱為動態(tài)單模(DSM)半導(dǎo)體激光器。實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作的最有效的方法之一，就是在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)縱模選擇。分布反饋半導(dǎo)體激光器的特點在于光柵分布在整個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增益。因為DFB-LD的諧振腔具有明顯的波長選擇性，從而決定了它們的單色性優(yōu)于一般的FP-LD。

在DFB-LD中存在兩種基本的反饋方式，一種是折射率周期性變化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一種為增益周期性變化引起的分布反饋，即增益耦合(Gain-Coupling)。與依靠兩個反射端面來形成諧振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波長所對應(yīng)的諧振腔損耗是不同的，也就是說DFB-LD的諧振腔本身具有選擇模式的能力。在端面反射為零的理想情況下，理論分析指出：折射率耦合DFB-LD在與布拉格波長相對稱的位置上存在兩個諧振腔損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波長上存在著一個諧振腔損耗最低的模式。也就是說，折射率耦合DFB-LD原理上是雙模激射的，而增益耦合DFB-LD是單模激射的。

四、分布式反饋激光器的制造技術(shù)

DFB激光器的光柵結(jié)構(gòu)通常在波導(dǎo)表面掩膜，刻蝕形成。但是，在制造過程中產(chǎn)生的晶格損傷會降低量子效率，增大閾值電流。

避免晶格損傷產(chǎn)生的影響：將光柵和激光器有源層分開。主要提供了三種方法。方法1：利用擴散方法

? 1.在襯底GaAs上利用離子束刻蝕形成三階光柵 ? 2.P區(qū)摻雜Zn ? 3.在交界面1um下產(chǎn)生p-n結(jié)

方法2：利用separate con?nementheterojunction 結(jié)構(gòu) ? 1.注入的電子被p-Ga0.83Al0.17As ? 2限制在有源層

? 3.光子傳播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面 ? 4.有源區(qū)不受晶格損傷的影響

方法3：利用水平耦合結(jié)構(gòu)

? 1.光通過橫向和水平方向消逝場的重疊部分來提供光反饋 ? 2.耦合系數(shù)k與脊的深度有關(guān)

? 3.發(fā)射波長為9217埃，閾值電流為11mA

五、分布式反饋激光器特點

與一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下兩大優(yōu)點，因而在目前的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。（1）動態(tài)單縱模窄線寬輸出

1、線寬窄：發(fā)射譜線寬定義為激光增益曲線和激光器的模式選擇特性的卷積，由于光柵具有很好的波長選擇特性，因此，發(fā)射譜寬較窄。

2、典型的端面反射型激光器的單模線寬為1到2埃，約 50 GHz，而帶有光柵結(jié)構(gòu)的DFB的線寬約為50–100 kHz。

3、目前商用的DFB激光器在1.55μm處的線寬小于25埃。

由于DFB激光器中光柵的柵距（A）很小，形成一個微型諧振腔，對波長具有良好的選擇性，使主模和邊模的閾值增益相對較大，從而得到比F—P腔激光器窄很多的線寬，并能保持動態(tài)單縱模輸出。（2）波長穩(wěn)定性好

1、傳統(tǒng)的端面反射激光器的發(fā)射波長很容易受到溫度的影響。

2、DFB激光器波長的穩(wěn)定性較好，因為光柵能夠鎖定激光器輸出給定的波長。

3、分析：（1）波長漂移：

4、端面反射激光器：3.7埃/攝氏度

5、DFB激光器：0.8埃/攝氏度（3）閾值電流：在m=0時，J端=JDFB

1、但J1=3J0，并且在模式轉(zhuǎn)換處閾值電

2、流急劇增加（由增益曲線和激光模式

3、在此溫度下不匹配導(dǎo)致的）

由于DFB激光器內(nèi)的光柵有助于鎖定給定的波長，其溫度漂移約為0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。在端面激光器中，光的發(fā)射波長是由增益曲線和激光器的模式特性決定的，當(dāng)達到閾值電流時，激光器通常會激發(fā)許多縱模

4、在DFB激光器中，發(fā)射波長會受到增益曲線的影響，但主要由光柵周期決定。

5、當(dāng) l 階模和 l±1階模的間距和增益曲線的線寬相比足夠大時，只有一個模式有足夠的增益產(chǎn)生激光。

盡管DFB激光器有很多優(yōu)點，但并非盡善盡美。例如，為了制作光柵，DFB激光器需要復(fù)雜的二次外延生長工藝，在制造出光柵溝槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光柵，致使光柵變得殘缺不全，導(dǎo)致諧振腔內(nèi)的散射損耗增加，從而使激光器的內(nèi)量子效率降低。此外，DFB激光器的震蕩頻率偏離Bragg頻率，故其閾值增益較高。DFB激光器的發(fā)展方向是，更寬的諧調(diào)范圍和更窄的線寬，在一個DFB激光器集成兩個獨立的光柵，實現(xiàn)更寬的波長諧調(diào)范圍，比如達到100nm諧調(diào)范圍，以及更窄的光譜線寬。

六、分布式反饋激光器實際工程系統(tǒng)中的應(yīng)用

分布反饋式半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于)1Gh/。局域網(wǎng)，1300nm-1550nm波長的半導(dǎo)體激光器適用于1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)[i1.半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù).半導(dǎo)體激光器在激光測距、激光雷達、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場。1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計算機外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途.半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源.半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展.因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信.GaAs/GaAlA。雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB一LD).半導(dǎo)體激光器也廣泛地應(yīng)用于光盤技術(shù)中，光盤技術(shù)是集計算技術(shù)、激光技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)于一體的綜合性技術(shù).是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存儲手段，它需要半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光束將信息寫人和讀出.下面我們具體來看看幾種常用的半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用: 量子阱半導(dǎo)體大功率激光器在精密機械零件的激光加工方面有重要應(yīng)用，同時也成為固體激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可*性和小型化的優(yōu)點，導(dǎo)致了固體激光器的不斷更新。

? 在印刷業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

高功率半導(dǎo)體激光器也有應(yīng)用.另外，如長波長激光器(1976年，人們用Ga[nAsP/InP實現(xiàn)了長波長激光器)用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出.自從NaKamuxa實現(xiàn)了GaInN/GaN藍光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機、顯示器中都有著很重要的應(yīng)用，特別是紅光、綠光和藍光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛.藍綠光半導(dǎo)體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機中.總之，可見光半導(dǎo)體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途.量子級聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領(lǐng)域.另外,由于半導(dǎo)體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器可以進行高分辨光譜研究.可調(diào)諧激光器是深入研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學(xué)的重要工具大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達、大氣窗口、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。

? 綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器方面

綠光到紫外光的垂直腔面發(fā)射器在光電子學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，如超高密度、光存儲.近場光學(xué)方案被認為是實現(xiàn)高密度光存儲的重要手段.垂直腔面發(fā)射激光器還可用在全色平板顯示、大面積發(fā)射、照明、光信號、光裝飾、紫外光刻、激光加工和醫(yī)療等方面I2)、如前所述，半導(dǎo)體激光器自20世紀80年代初以來，由于取得了DFB動態(tài)單縱模激光器的研制成功和實用化，量子阱和應(yīng)變層量子阱激光器的出現(xiàn)，大功率激光器及其列陣的進展，可見光激光器的研制成功，面發(fā)射激光器的實現(xiàn)、單極性注人半導(dǎo)體激光器的研制等等一系列的重大突破，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用越來越廣泛，半導(dǎo)體激光器已成為激光產(chǎn)業(yè)的主要組成部分，目前已成為各國發(fā)展信息、通信、家電產(chǎn)業(yè)及軍事裝備不可缺少的重要基礎(chǔ)器件。

? 軍事方面的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光引信是一種光學(xué)引信, 屬主動式近炸引信的技術(shù)范疇。激光引信通過激光對目標(biāo)進行探測, 對激光回波信息進行處理和計算, 判斷出目標(biāo), 計算出炸點, 在最佳位置適時引爆。炸彈一旦未捕獲或丟失目標(biāo)以及引信失靈后, 自炸機構(gòu)可以引爆彈丸自毀。半導(dǎo)體激光引信是激光探測技術(shù)在武器系統(tǒng)中最成功的應(yīng)用。

1.激光制導(dǎo)：它使導(dǎo)彈在激光射束中飛行直至摧毀目標(biāo)。

半導(dǎo)體激光制導(dǎo)已用于地-空導(dǎo)彈、空-空導(dǎo)彈、地-地導(dǎo)彈等。激光制導(dǎo)跟蹤在軍事上具有十分廣泛的應(yīng)用。激光制導(dǎo)的方法之一是駕束制導(dǎo), 又稱激光波束制導(dǎo)。從制導(dǎo)站的激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經(jīng)編碼調(diào)制的激光束, 且光束中心線對準(zhǔn)目標(biāo);在波束中飛行的導(dǎo)彈, 當(dāng)其位置偏離波束中心時,裝在導(dǎo)彈尾部的激光接收器探測到激光信號, 經(jīng)信息處理后, 彈上解算裝置計算出彈體偏離中心線的大小和方向, 形成控制信號;再通過自動駕駛儀操縱導(dǎo)彈相應(yīng)的機構(gòu), 使其沿著波束中心飛行, 直至摧毀目標(biāo)為止。另一種激光制導(dǎo)方法是光纖制導(dǎo)。通過一根放出的光纖把傳感器的信息傳送到導(dǎo)彈控制器, 觀察所顯示的圖像并通過同一光纖往回發(fā)送控制指令,以達到控制操縱導(dǎo)彈的目的。

2.激光測距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域。

測距儀采用半導(dǎo)體激光器作光源具有隱蔽性,略加改進, 還可測量車輛之間的距離并進行數(shù)字顯示, 在低于所需安全系數(shù)時發(fā)出警報。半導(dǎo)體激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測儀也得到重要應(yīng)用。利用半導(dǎo)體激光器列陣主動式夜視儀的光源具隱蔽性, 列陣功率高的特點, 可提高監(jiān)測距離至1 km, 如配上掃描和圖像顯示裝置, 則可成為激光夜視監(jiān)測儀。用其對目標(biāo)進行監(jiān)測時, 目標(biāo)的活動情況可適時通過光纜傳送到指揮所。選擇較長的合適波長, 可成為全天候監(jiān)測儀。

3.激光雷達：與CO2 激光雷達相比

半導(dǎo)體激光列陣的激光雷達體積小、結(jié)構(gòu)簡單、波長短、精度高、具有多種成像功能及實時圖像處理功能, 包括各種成像的綜合、圖像跟蹤和目標(biāo)的自動識別等。可用于監(jiān)測目標(biāo), 測量大氣水氣、云層、空氣污染;還可用作飛機防撞雷達, 機載切變風(fēng)探測相干光雷達, 對來襲目標(biāo)精確定位以及對直升飛機和巡航導(dǎo)彈的地形跟蹤等。半導(dǎo)體激光雷達主要是波長820～850 nm 的LD 及列陣。

4.激光模擬：以半導(dǎo)體激光為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型軍訓(xùn)和演習(xí)技術(shù)。通過調(diào)節(jié)激光射束、周期和范圍以達到模擬任何武器特征的目的。武器模擬主要使用904 nm 半導(dǎo)體激光器, 用對眼睛安全的激光器作為戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ), 最初稱為激光交戰(zhàn)系統(tǒng)(LES)。該系統(tǒng)的研制始于1973 年, 其可行性已得到了證實。1974 年引進了微處理機技術(shù), 于是LES 發(fā)展成為多功能激光交戰(zhàn)系統(tǒng)(MILES)。同年,賽羅克斯電光系統(tǒng)公司接受了全套MILES 工程的研制合同, 向陸軍提供8 萬多套裝備, 用于地面作戰(zhàn)模擬。此外, 該公司還研制了空對地作戰(zhàn)系統(tǒng)以及MILES 空防樣機。目前, 全世界有美、英、瑞(典)三國出售MILESII/SAWE 系統(tǒng);北約國家、以色列、阿根廷、俄羅斯、中國都在開發(fā)這種系統(tǒng)。

5.深海光通信：半導(dǎo)體激光器具有抗干擾、保密性好等優(yōu)點。

激光對潛通信光源藍綠光是海水的通信窗口(460～540 nm), 穿透深度約300 ft, 潛艇可用藍綠光和衛(wèi)星或航空母艦進行通信聯(lián)絡(luò)。倍頻半導(dǎo)體高功率激光器列陣(波長在920～1080 nm)就是一種這樣的光源。

6.半導(dǎo)體激光瞄準(zhǔn)和告警

瞄準(zhǔn)具有兩類: 一類以發(fā)射紅外激光的GaAs激光器為基礎(chǔ), 士兵需佩戴夜視鏡才能看清目標(biāo)上的激光光斑, 以解決夜間士兵的瞄準(zhǔn)射擊問題;另一類激光瞄準(zhǔn)以發(fā)射紅色激光和可見光的半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)。美國激光裝置公司在20 世紀80 年代推出的FA-4 型激光瞄準(zhǔn)具的重量僅99 g, 長11.4 cm。為滿足不同波長激光和可調(diào)諧激光器的探測要求, 激光告警的工作波段不斷得到拓展, 角分辨率也不斷得到提高。

7.半導(dǎo)體激光通信

半導(dǎo)體激光器在衛(wèi)星通信技術(shù)中只需要較小的望遠鏡和較低的發(fā)射功率, 就能實現(xiàn)光的自由空間傳輸并獲得極高的數(shù)據(jù)率傳輸。激光通信技術(shù)可用于軌道衛(wèi)星間的相互通信及衛(wèi)星與地面站的通信。

8.軍用光纖陀螺

軍用光纖陀螺是軍用光纖領(lǐng)域中用途最廣, 是目標(biāo)監(jiān)測和測量方面不可缺少的技術(shù)手段。由光纖繞成環(huán)形光路, 采用Sagnac 干涉原理, 檢測出隨轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的兩路激光束的相位差, 由此得出轉(zhuǎn)動的角速度。其主要優(yōu)點是: 無運動部件, 儀器牢固, 耐沖擊, 抗加速運動;機構(gòu)簡單, 價格低廉;啟動時間極短(原理上可瞬時啟動);靈敏度高, 可達10-7 rad/s;動態(tài)范圍極寬(約為2 000 度/秒);壽命長等。在軍用民用光纖通信、光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、制導(dǎo)魚雷等方面廣泛應(yīng)用。

? 其他方面的應(yīng)用

下表是DFB一些主要波長在激光氣體分析、原子鐘應(yīng)用、Nd：YAG激光器種子源等領(lǐng)域上的應(yīng)用：

下圖是Harvard所研究的Hitran數(shù)據(jù)庫在750-3500nm之間的光譜吸收圖，可以作為大部分氣體分析的數(shù)據(jù)參考：

1．用于發(fā)電站

嚴格監(jiān)控各氣體的成分比率：

H2O, O2, CO, CO2, NH3, NO2等； 實現(xiàn)更快更有效的燃燒；

減少污染物的排放，減小能耗。

2．用于過程控制

監(jiān)測HCl 的濃度，優(yōu)化PVC材料的生產(chǎn)； 監(jiān)測燃燒室中 O2, CO, CO2 的濃度，控制鋼鐵的熔煉過程。

3．用于管道檢測

天然氣管道成分、泄漏檢測。

4．用于太空研究

比如用于NASA實驗室，俄羅斯航天

局等。

結(jié)語:

現(xiàn)代社會對光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的要求急劇增長,波分復(fù)用系統(tǒng)復(fù)用的信道數(shù)越來越多,這就需要大量不同波長激光器來作為這種通信系統(tǒng)的光源。如果用分立器件來構(gòu)成這種通信網(wǎng)絡(luò)的話,那么波分復(fù)用系統(tǒng)將十分復(fù)雜,體積巨大,維護成本隨傳輸容量同步上升。與此同時,這種通信系統(tǒng)的能耗也將上升到驚人的地步。為解決日益嚴重的系統(tǒng)復(fù)雜性和能耗激增問題,最好的方法是用多種功能器件集成的光子集成芯片取代分立器件,來構(gòu)建波分復(fù)用通信系統(tǒng)。組成光子集成芯片的最核心器件——多波長激光器陣列的制造要比單個激光器難度大得多。目前已經(jīng)商用的光子集成芯片中的分布反饋式多波長半導(dǎo)體激光器陣列,必須采用經(jīng)過特殊加工、精度高達0.1納米的電子束刻寫設(shè)備來制造,加工過程十分緩慢復(fù)雜,成品率低下,其高昂的成本使之難以大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn) 為了解決上述困難,我們提出了利用重構(gòu)一等效啁啾技術(shù)來設(shè)計制作半導(dǎo)體激光器及陣列的方法。

參考文獻:

[1]楊紅;楊柳;王曉暢;吳金輝;;冷原子系統(tǒng)中的四波混頻增益和分布反饋激光[A];第十五屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報告會報告摘要集[C];2012年

[2]普小云;陳天江;楊睿;;消逝波增益耦合球形微腔中的受激拉曼散射[A];第十六屆全國光散射學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2011年

[3]趙玲娟;朱洪亮;張靜媛;周帆;王寶軍;邊靜;王魯峰;田慧良;王圩;;10Gbit/s高T_0無制冷分布反饋激光器[A];全國第十一次光纖通信暨第十二屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議（OFCIO’2003）論文集[C];2003年

[4] 史云飛;;分布反饋(DFB)光纖激光器溫度特性研究[A];全國第十三次光纖通信暨第十四屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2007年

[5]王志翔;許貴珍;;分布反饋單波長激光器的檢測[A];第五次全國電子顯微學(xué)會議論文摘要集[C];1988年

[6]百度百科 http://baike.baidu.com/view/3882555.htm;2013年

第五篇：空間向量在立體幾何中的應(yīng)用

【利用空間向量證明平行、垂直問題】

例.如圖，在四棱錐P—ABCD中，底面ABCD是正方形，側(cè)棱PD⊥底面ABCD，PD=DC，E是PC的中點，作EF⊥PB于點F。

（1）證明：PA//平面EDB；（2）證明：PB⊥平面EFD；（3）求二面角C—PB—D的大小。

如圖所示建立空間直角坐標(biāo)系，D為坐標(biāo)原點。設(shè)DC=a。

（1）證明：連接AC，AC交BD于G，連接EG。依題意得。

∵底面ABCD是正方形?！郍是此正方形的中心，故點G的坐標(biāo)為，∴則而，∴PA//平面EDB。

（2）依題意得B（a，a，0），∴PB⊥DE由已知EF⊥PB，且

（3）解析：設(shè)點F的坐標(biāo)為又，故，所以PB⊥平面EFD。，則

從而所以

由條件EF⊥PB知，即，解得

∴點F的坐標(biāo)為，且∴

即PB⊥FD，故∠EFD是二面角C—PB—D的平面角。

∵，且

∴∴∠EFD=60°所以，二面角C—PB—D的大小為60°。

點評：（1）證明兩條直線平行，只需證明這兩條直線的方向向量是共線向量．

（2）證明線面平行的方法：①證明直線的方向向量與平面的法向量垂直；②證明能夠在平面內(nèi)找到一個向量與已知直線的方向向量共線；③利用共面向量定理，即證明直線的方向向量與平面內(nèi)的兩個不共線向量是共面向量．

（3）證明面面平行的方法：①轉(zhuǎn)化為線線平行、線面平行處理；②證明這兩個平面的法向量是共線向量．（4）證明線線垂直的方法是證明這兩條直線的方向向量互相垂直．

（5）證明線面垂直的方法：①證明直線的方向向量與平面的法向量是共線向量；②證明直線與平面內(nèi)的兩個不共線的向量互相垂直．

（6）證明面面垂直的方法：①轉(zhuǎn)化為線線垂直、線面垂直處理；②證明兩個平面的法向量互相垂直．【用空間向量求空間角】例.正方形ABCD—

中，E、F分別是，的中點，求：

（1）異面直線AE與CF所成角的余弦值；（2）二面角C—AE—F的余弦值的大小。

解析：不妨設(shè)正方體棱長為2，分別以DA，DC，DD1所在直線為x軸，y軸，z軸建立如圖所示空間直角坐標(biāo)系，則 A（2，0，0），C（0，2，0），E（1，0，2），F(xiàn)（1，1，2）（1）由，得

又，∴，即所求值為。

（2）∵

∴

∴，過C作CM⊥AE于M，則二面角C—AE—F的大小等于，∵M在AE上，∴設(shè)則，∵

∴

又∴

∴二面角C—AE—F的余弦值的大小為點評：（1）兩條異面直線所成的角（2）直線與平面所成的角

求得，即

求得，即。

或

可以借助這兩條直線的方向向量的夾角

主要可以通過直線的方向向量與平面的法向量的夾角

（3）二面角的大小可以通過該二面角的兩個面的法向量的夾角求得，它等于兩法向量的夾角或其補角。【用空間向量求距離】例.長方體ABCD—求：

（1）異面直線AM與PQ所成角的余弦值；（2）M到直線PQ的距離；（3）M到平面AB1P的距離。解析：（1）方法一：

如圖，建立空間直角坐標(biāo)系B—xyz，則A（4，0，0），M（2，3，4），P（0，4，0），Q（4，6，2），∴，中，AB=4，AD=6，M是A1C1的中點，P在線段BC上，且|CP|=2，Q是DD1的中點，故異面直線AM與PQ所成角的余弦值為

方法二：，∴

故異面直線AM與PQ所成角的余弦值為

（2）∵，∴上的射影的模

故M到PQ的距離為（3）設(shè)

是平面的某一法向量，則，∵因此可取，由于

∴，那么點M到平面的距離為，故M到平面的距離為。

點評：本題用純幾何方法求解有一定難度，因此考慮建立空間直角坐標(biāo)系，運用向量坐標(biāo)法來解決。利用向量的模和夾角求空間的線段長和兩直線的夾角，在新高考試題中已多次出現(xiàn)，但是利用向量的數(shù)量積來求空間的線與線之間的夾角和距離，線與面、面與面之間所成的角和距離還涉及不深，隨著新教材的推廣使用，這一系列問題必將成為高考命題的一個新的熱點。現(xiàn)列出幾類問題的解決方法，供大家參考。

（1）平面的法向量的求法：設(shè)聯(lián)立后取其一組解。，利用n與平面內(nèi)的兩個向量a，b垂直，其數(shù)量積為零，列出兩個三元一次方程，（2）線面角的求法：設(shè)n是平面的法向量，是直線l的方向向量，則直線l與平面所成角的正弦值為。

（3）二面角的求法：①AB，CD分別是二面角的兩個面內(nèi)與棱l垂直的異面直線，則二面角的大小為。

②設(shè)或其補角。

分別是二面角的兩個平面的法向量，則就是二面角的平面角

（4）異面直線間距離的求法：

是兩條異面直線，n是的公垂線段AB的方向向量，又C、D分別是

上的任意

兩點，則。

（5）點面距離的求法：設(shè)n是平面的法向量，AB是平面的一條斜線，則點B到平面的距離為。

（6）線面距、面面距均可轉(zhuǎn)化為點面距離再用（5）中方法求解。