空间可展开机构在航天工程中的应用-调研报告

第一篇：空间可展开机构在航天工程中的应用-调研报告

<空间可展开机构在航天工程中的应用>——报告调研范围：

1.空间可展开机构的特点；

2.空间可展开机构在航天工程中的作用；

3.空间可展开机构在典型航天任务中的应用、结构形式和特点；

4.空间可展开机构的发展趋势。

第二篇：FPGA调研报告-FPGA在航天领域的应用

FPGA技术调研：FPGA在航天领域的应用

1．引言

现 场 可 编 程 门 阵 列(Field programmable gatearrays，FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求。与传统数字电路系统相比，FPGA 具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率。设计者采用 FPGA 的优点：

(1)减少对所需器件品种的需求，有助于降低电路板的体积重量；

(2)增加了电路板完成后再修改设计的灵活性；

(3)设计修改灵活，有助于缩短产品交付时间；

(4)器件减少后，焊点减少，从而可提高可靠度。尤其值得一提的是，在电路运行频率越来越高的情况下，采用 FPGA 实现的复杂电路功能减小了板级电路上 PCB 布线不当带来的电磁干扰问题，有助于保证电路性能。

FPGA 也 是 现 阶 段 航 天 专 用 集 成 电 路（ASIC, Application specific integrated circuit）的最佳实现途径。使用商用现货 FPGA 设计微小卫星等航天器的星载电子系统，可以降低成本。利用 FPGA 内丰富的逻辑资源，进行片内冗余容错设计，是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前，随着对卫星技术的不断发展、用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈，功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、重量减轻、功耗降低，提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以减小印制板的尺寸，减少焊盘数量，还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。星载数字电路小型化的关键是器件选用，包括嵌人式高集成度器件的选用，其中，高密度可编程逻辑器件 FPGA 的选用是一个重要的实现方式。

目前，在航天遥感器的设计中，FPGA 被广泛地应用于主控系统 CPU 的功能扩展CCD 图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了 FPGA 的发展，分析了其主要结构，并对航天应用 FPGA 进行了综述。指出了航天应用对FPGA 及其设计的要求，重点分析了空间辐射效应对FPGA 可靠性的影响，并总结了提高 FPGA 抗辐照的可靠性设计方法。最后，对航天应用 FPGA 的发展进行了展望。

2.FPGA 航天应用

可编程逻辑器件以其设计方便、设计便于修改、功能易于扩展，在航天、空间领域中得到了越来越广泛的应用。一种是以 Actel 公司产品为代表的一次编程反熔丝型 FPGA，一种是以 Xilinx 公司产品为代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。

2.1 航天应用 FPGA 的分类 FPGA 按其编程性，目前具有航天成功应用经验的 FPGA 主要有两类： 一类是只能编程一次的一次性编程 FPGA。另一类是能多次编程的可重编程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、Flash 型 FPGA，这类 FPGA 一般具有在系统编程(ISP, In system programming)能力。

2.1.1 一次性编程 FPGA 此类产品采用反熔丝开关元件，具有体积小、版图面积小、低抗辐射抗干扰、互连线特性阻抗低的特点，不需要外接 PROM 或 EPROM，掉电后电路的配置数据不会丢失，上电后即可工作，适用于航天、军事、工业等各领域。这类产品中，具有代表性并已取得航天应用成功经验的产品是 ACTEL 公司的抗辐射加固反熔丝型 FPGA。与传统 FPGA平面型散布 的 逻 辑 模 块、连 线、开关矩阵的布局不同，反熔丝型 FPGA 采用紧凑、网格化密集布局的平面逻辑模块结构。利用位于上下逻辑模块层之间、金属对金属的可编程反熔丝内部连接元件实现器件的连接，减小了通道和布线资源所占用的空间。在编程之前，该连接元件为开路状态，编程时，反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度，瞬间产生较大的热功耗，融化绝缘层介质形成永久性通路。

2.1.2 可重编程 FPGA 此类产品采用 SRAM 或 Flash EPROM 控制的开关元件，其优点是可反复编程。配置程存放在 FPGA外的存储器中，系统上电时，配置程加载到 FPGA中完成硬件功能的定制化。其中，SRAM 型 FPGA 还可以在系统运行中改变配置，实现系统功能的动态重构。但是，此类 FPGA 掉电后存储的用户配置逻辑会丢失，只能上电后重新由外部存储器加载。FlashEPROM 型 FPGA 具 有 非 易 失 性 和 可 重 构 的 双 重 优点，但不能动态配置，功耗也比 SRAM 型 FPGA 高。此类 FPGA 由于配置数据存储在 FPGA 内 的 SRAM存储器中，可编程逻辑开关采用多路选择器实现，内部逻辑功能采用基于 SRAM 结构的查找表实现，这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体结构。因此，在航天应用中要特别注意。具有代表性的、并取得航天应用成功经验的产品是 Xilinx 公司的基于SRAM 型 Virtex 系列的 FPGA 产品。

2.2 FPGA 航天应用现状

FPGA 在国内外的航天、空间领域，特别是商用卫星得到了广泛的应用。据统计，在国内外深空探测、科学及商用卫星共 60 个项目中都用到了 FPGA，军用卫星项目中也有多个项目用到 FPGA。

2.2.1 Acte FPGA 的航天应用

Actel 的耐辐射和抗辐射 FPGA 自从在 1997 年火星探路者（Mars Pathfinder）以及随后的勇气号、机遇号任务中取得成功后，其 FPGA 继续用于 NASA、ESA 的火星探测任务。Actel 的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的控制计算机，执行从地球到火星6 个月飞行的导航功能。在火星探索者漫游器（ExplorerRover）的照相机、无线通信设备中均采用了 Actel 器件。ESA 的火星快车轨道卫星中，固态记录器使用了 20 多个 Actel FPGA 器件。Actel 公 司 的 FPGA 器 件 已 用 于 德 国 航 天 领 域(DLR)双光谱红外探测(BIRD)卫星中。BIRD 是全球首个采用红外传感器技术的卫星，以探测和研究地球上的高温事件，如森林山火、火山活动、油井和煤层燃烧等。超过 20 个高可靠性 FPGA 用干卫星有效载荷数据处理、存储器管理、接口和控制、协处理以及红外摄影机的传感器控制等多个关键性功能中。

2.2.2 Xilinx FPGA 的航天应用

同 ACTEL 相比，Xilinx 公司用于航天、空间领域的产品研制较晚，但是，其功能强大、性能高、可重新配置的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、全面提高抗空间辐射能力，逐渐成为空间电子产品设计中常用的 FPGA 产品，并将获得越来越广泛的应用。Xilinx 的 Virtex 耐辐射 FPGA 被用于 2003 年发射的澳大利亚的军民混用通信卫星 Optus CL，在卫星的 UHF 有效载荷中，Xilinx Virtex FPGA(XQVB300）用来实现地球数据的信号处理算法，并使用了 Xilinx提供的 IP 核。

Xilinx 的加固 FPGA XQR4062XL 被用于 2002 年发射的澳大利亚科学卫星 Fedsat（联合卫星，用于研究磁层）的高性能计算有效载荷。HPC-1 是第一例在星载计算机系统的标准运行中采用 FPGA 实现了可配置计算技术 RCT。目前正在开发的 RHC-II 将使用Xilinx FPGA 实现星上数据处理。

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

在火星探测漫游器 Discovery 和 Spirit 中都成功应用了 Xilinx FPGA 产品。两片宇航 FPGA VirtexTMFPGA XQVR100O 被用于火星漫游器车轮电机控制、机械臂控制和其他仪表中，4 片耐辐照 4000 系列的FPGA XQR4062XL 用于控制火星着陆器的关键点火设备，保证着陆器按规定程序下降及成功着陆。欧洲第一个彗星轨道器和着陆器 ROSETTA 上总共有 45 片 FPGA，都选用 ACTEL RT14I00A，承担了控制、数据管理、电源管理等重要功能，并且飞行中任何一片 FPGA 都不得断电。

Xilinx 最新发布的 Virtex-5QVFPGA 具有非常高的抗辐射性，TID 耐性为 700 kraD 以上，SEU（Sin-gle Event Upset，单粒子翻转）闩锁（Latch Up）耐性超过 100 MeV·cM2/Mg，主要面向人造卫星和宇宙飞船上的遥感处理、图像处理以及导航仪等用途。因此，基于 FPGA 系统构成无需为了辐射措施而增加冗余，可以削减系统开发所需要的时间和成本。其规模也达到了 13 万个逻辑单元，集成了最高速度为 3.125 Gbit/s的高速收发器，并强化了 DSP 功能，作为航天领域用 FPGA 中属业界最高水准。

3.辐射效应及其影响

航天、空间电子设备由于其所处的轨道以及使用环境的不同, 受到的辐射影响也不相同。从总体上来说，对 FPGA 影响比较大的辐射效应主要有: 总剂量效应(TID: Total ionizing Dose)、单粒子翻转(SEU: Single event upset)、单 粒 子 闩 锁(SEL: Single event latchup)、单粒子功能中断(SEFI: Single event func-tional interrupt)、单 粒 子 烧 毁(SEB: Single eventburnout)、单 粒 子 瞬 态 脉 冲(SET: Single event tran-射效应产生的机理不尽相同, 引起 FPGA 的失效形式也不同。总剂量效应： 光子或高能离子在集成电路的材料中电离产生电子空穴对，最终形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷，使器件的性能降低甚至失效。单粒子翻转： 具有一定能量的重粒子与存储器件或逻辑电路 PN 结发生碰撞, 在重粒子运动轨迹周围形成的电荷被灵敏电极收集并行成瞬态电流，如果电流超过一定值就会触发逻辑电路, 形成逻辑状态的翻转。单粒子翻转敏感区域是指 FPGA 中易于受到单粒子效应影响的区域，包括 FPGA 的配 置 存 储 器、DCM、CLB、块存储区域。

单粒子闩锁： CMOS 器件的 PNPN 结构成了可控硅结构。质子或重粒子的入射可以触发 PNPN 结导通, 进入大电流再生状态，产生单粒子闩锁。只有降低电源电压才能退出闩锁状态。单粒子功能中断： 质子或重粒子入射时引起器件的控制逻辑出现故障，进而中断正常的控制功能。FPGA 中单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、SelectMAP 接口和 JATAG 接口。

单粒子烧毁： 入射粒子产生的瞬态电流导致敏感的寄生双极结晶体管导通。双极结晶体管的再生反馈机制造成收集结电流不断增大，直至产生二次击穿，造成漏极和源极的永久短路，烧毁电路。FPGA发生单粒子烧毁的概率较小。单粒子瞬态脉冲： 带电粒子入射产生的瞬态电流脉冲影响到下一级逻辑电路的输入，造成该逻辑电路输出紊乱。单粒子瞬态脉冲可能引起 FPGA 内部逻辑电路的短时错误。单粒子瞬态脉冲对于＜0.25 μM 工艺的 FPGA 影响较大。

位移损伤： 单粒子位移损伤是单个粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性损伤。

上述辐射效应对 FPGA 造成的影响有的是永久性的，如总剂量效应、单粒子烧毁、位移损伤； 有的是能够恢复的，如单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒 子 瞬 态 脉 冲。以 上 单 粒 子 效 应 中 SEL、SEB 和SEGR 均有可能对器件造成永久性损伤。因此，一般星上系统都会采用抗 SEL 的器件。SEU 和 SET 虽然是瞬时影响，但其发生率远高于以上 3 种，反而更应引起重视。接下来根据对上述辐射影响的分析，研究提高 FPGA 抗辐射效应的可靠性设计方法。

随着 SRAM 型的 FPGA 随 着 工 艺 水平的 提 高、规模的增大和器件核电压的降低，抗总剂量效应性能不断提高，但是更容易受 SEU 和 SET 的影响。针 对 单 粒 子 效 应 的 问 题，MAPLD、NSREC、RADECS 会议提交的报告认为，Virtex-II 系列产品抗总 剂 量 辐 射 能 力 达 到 200 krad，抗 SEL 的 能 力 为LET 160 MeV·cm /mg 以下无闩锁，同时，需要考虑SEU、SET、SEFL 等单粒子效应

4.航天应用 FPGA 的可靠性设计

在航天、空间电子设备中，FPGA 主要用于替换标准逻辑，还用于 SOC 技术，提供嵌人式微处理器、存储器、控制器、通信接口等。其中，可靠性是FPGA 设计的主要需求。

根据功能及其重要性的不同，空间电子系统设计分为关键与非关键两大类，航天器控制为关键类，科学仪表为非关键类。航天器控制系统对 FPGA 的一般需求： 高可靠、抗辐射加固和故障安全。科学仪器对 FPGA 的设计要求一般为高性能、耐辐射和失效安全，其可靠性则是由性能需求决定的，对 FPGA 的需求也因系统而异，如测量分辨率、带宽、高速存储、容错能力等。航天用 FPGA 的可靠性设计主要通过器件自身的硬件设计以及软件设计来实现。4.1 FPGA 的硬件可靠性设计

FPGA 的硬件可靠性设计主要是针对空间辐射效应的影响，借助制造工艺和设计技术较为彻底地解决了单粒子效应防护问题。一般从以下几个方面进行设计[6]： FPGA 整体设计加固、内部设计间接检测辐射效应的自检模块、引入外部高可靠性的监测模块。

整体加固设计是指在电子设备的外面采用一定厚度的材料进行整体辐射屏蔽，减少设备所受的辐射效应，经常采用的材料有铝、钽和脂类化合物等。这种方法在航天电子元器件中使用较多，也比较成熟。例如，作为美国军用微电子产品主要供应商的Honeywell，加固 ASIC 技术覆盖范围宽。Aeroflex 采用 “设计加固、商用 IC 工艺线流片” 的方式提供性能先进的加固 ASIC 产品，具备数模混合加固 ASIC的研制能力。这种采用商业线流片生产军用和加固微电子产品的技术线路，既有利于摆脱工艺加固对器件发展的约束，又有利于满足用户对先进加固器

件的需求，降低成本，缩短供货时间。Atmel 为用户提供了高性能、小尺寸、低功耗的各类器件的工艺资源，包括用于航天的耐辐照高速、低 功 耗 数 模 混 合 CMOS 工 艺 以 及 内 嵌 EEPROM 的CMOS 工艺。国内从事军用微电子器件研制的单位很多，包括国有科研单位和非国有 IC 研制公司。但是，能够完成抗辐照加固 IC 研制的单位并不多。国内自行研制的加固 ASIC 产品已经在卫星中得到了成功应用。采用体硅外延层，也可以防止发生 SEI。例如，Xilinx 的 virtex-II 耐辐射产品是在军品等级器件的基础上进一步采用外延衬底设计，抗总剂量电离效应能力按照 MIL-STD-883 Method 1019 进行批次采样考核。自检模块的目的是通过某些模块的正常运行来预测整个 FPGA 运行的正常性。自检模块由分布在FPGA 重要布线区域附近的简单逻辑电路实现，也可以由多模冗余模块表决结果或者余数检测法以及奇偶校验法等其他产生的结果直接提供输出。4.2 FPGA 的软件可靠性设计

航天应用 FPGA 的软件可靠性设计是指应用软件程序配置来屏蔽辐射效应造成的运行失常。其中，冗余设计方法是被公认为比较可靠的对付辐射效应的方法。常用的冗余设计有三模冗余法(TMR，Triplemodule redundancy)和部分三模冗余法(PTMR，Partialtriple module redundancy)。虽然 TMR 能够提高系统的可靠性，但也会使模块速度降低、占用资源和功率增加。综合考虑其他设计指标，可以根据实际情况对关键部分使用部分三模冗余法。冗余结构尽管可以保证系统可靠性，但却不能及时发现并纠正错误，或为发现错误而引入了过多的组合逻辑，当应用于 FPGA 时，增加了容错电路自身出错的可能性。除此之外，星载系统无人值守的运行特点使得系统重构与故障恢复也非常困难。

对配置存储器的回读校验和重配置[6](或局部重配置)是一种有效的抵抗辐射效应的方法，通过对部分配置的重加载能够修复 SEU 效应造成的影响，其频率应是最坏情况 SEU 效应发生率的 10 倍。在重加载逻辑设计中，需要对重加载的实现方式、加载内容进行仔细设计，并不是所有的内容都可以重加载，也不是所有的内容都需要重新配置。

在系统设计中，采用高可靠性的反熔丝 FPGA负责从非易失大容量存储器中读取 Xilinx FPGA 的配置数据对其进行配置。在运行期间，对最容易受辐射效应影响的配置存储器按列进行读操作，然后与标准数据进行比对，对出现错误的列进行局部重配置。FPGA的可编程IO也容易受到辐射粒子影响产生 SEU 和 SEL。对输入输出脚设计三模冗余设计方法是一种非常有效方法，但是这种方法将需要占用 3 倍的 I/O 资源。如果 SET 作用在时钟电路或者其他数据、控制线上容易产生短脉冲抖动，有可能会造成电路的误触发或者数据锁存的错误，在设计时可采用同步复位设计内部复位电路、控制线使能信号线，逻辑数据在锁存时尽可能配合使能信号。

5.FPGA 航天应用发展趋势

目前，在深微亚米半导体工艺下，传统的 FPGA设计技术在器件良率、功耗、互联线延时、信号完整性、可测性设计等方面面临挑战[9]。基于传统技术的 FPGA 仍然在向高密度、高性能、低功耗的方向发展，使得 FPGA 从最开始的通用型半导体器件向平台化的系统级器件发展。基于异步电路的 FPGA 设计、3D 集成技术、新型半导体结构的应用将是 FPGA 技术发展的热点。航天、空间应用方面，国外航天对 FPGA 空间应用的总结和预测分析表明，空间应用对 FPGA 选用呈现出以下趋势：

(1)器件工作电压从 5 V 变为 3.3 V、2.5 V 甚至l.8 V；（2）从使用总剂量加固 FPGA 发展到使用耐总剂量 FPGA 产品；

(3)从 SEU 敏感寄存器 FPGA 的应用发展为使用内建寄存器 TMR 结构的 FPGA；(4)从只使用一次编程的反熔丝型 FPGA 发展为使用基于 SRAM/EEPROM 的可重置型 FPGA。这种选用趋势带来的突出问题是： 从寄存器对SEU 敏感变为 FPGA 对 SEU 敏感； 配置存储 FPGA的设计复杂性已经同 ASIC 的复杂程度相当。

6.结论

本文对航天应用中 FPGA 的使用进行了 综 述。分析了 FPGA 的结构特点，针对航天、空间环境的辐照条件，分析了航天应用 FPGA 的失效模式及可靠性设计方法。最后，对航天应用 FPGA 及其可靠性设计技术的发展进行了展望。

第三篇：浅谈空间在园林景观中的应用

浅谈空间在园林景观中的应用

摘要：本论文从空间的角度出发，通过现代审美及现代社会需求，分析现代广场空间特色，并探讨其在现代景观空间中的运用，城市广场的建设，不仅丰富了城市空间，更重要的是为市民提供了宜人的户外绿色空间，满足了人们休憩、娱乐、交流的需求。广场是为人服务的,广场空间与人的活动息息相关。

广场空间的研究,从点、线、面、体等空间要素及空间的组合变化入手,更重要的是从人的自身尺度、心理感受出发,进一步分析广场空间设计的得与失,将会有助于进一步分析空间的结构变化,对今后的理论及实践都有指导意义。首先、城市广场空间由底面、边界和广场中的构筑物三部分组成。底面可以看作是地表,边界是指突出于底面并围合底面的实体,它可以是建筑,也可以是树木、路灯或其它实体元素。而广场中的装饰物或其它功能性小品则可以看作是广场中的构筑物。其次、广场空间构成的物质要素和精神要素是衡量广场空间的重要指标。物质要素主要包括广场的尺度、形态、围合、肌理、高差等,精神要素包括广场的使用和文脉,这些都对广场的空间品质有着很大的影响。物质要素决定广场空间的形态、空间的划分、高差变化、空间的构成方式及特点、与城市公共空间的关系等等。精神要素虽然是一种隐性要素,不能够真实的被感知,但是它们以其特有的方式影响着广场空间,是广场中不可忽略的要素。通过对各要素的深入分析,找出它们与广场空间的关系,为研究世园会入口广场，及其里面的各个空间之间的内在联系。

本论文将从以下几方面进行论述，一.空间的形态生成与组合形式，二.空间的类型与空间组合，三.空间构成的形式及形式美规律。通过以上三个方面来对世园会入口广场及园中建筑的空间进行论述。并且谈论学习空间组合在园林设计中的应用，通过自己的实践调研，将做如下的分析：

一：空间的形态生成与组合形式

空间形态是由空间、形体、轮廓、虚实、凹凸等各要素构成，这些要素和实用功能是紧密联系的。功能作为人们构建空间环境的首要目的，而空间形式，形态是由功能的客观存在而存在。当然，不能说环境空间形式形态完全是由功能所决定，但环境空间的形式形态必须适合与功能要求。如西安世园会主入口大门广运门

广运门是2011西安世园会主入口，位于园区东北部，横跨60米宽的世博大道，高峰期每小时可通行2万多人。由踏步、水景、方块式园艺花卉造型组成的坡道把上下之间联系起来，与长安花谷浑然一体，以其恢宏的气势形成强烈的震撼效果。步行大桥横跨世博大道，其设计概念紧扣西安园艺博览会的主题，总平面布局始于吸纳源自停车场人流的动线，进出人流各自分开。大门作为整个景观园区的起点，运用植栽，水景等反映绿色园艺色彩的设计元素贯穿其中，桥上设植物廊架，有绿色植物攀爬其上，垂直绿化并提供遮阳。根据建筑的使用要求，也充分考虑了残疾人的通行需求。建筑结构为钢筋混凝土结构，但是材料选择上以自然的木材及地域性的花岗岩为点缀，中国元素亦巧妙的穿插其中。利用空间相互穿套的功能形式直接连通的多空间形态，这样就不存在专供交通连接用的空间，关系紧密，并且具有明确的程序性和连续性，形成虚空间如图

二．空间类型与空间组合

空间功能和空间设计的多样性，决定了空间类型的复杂性和丰富性，空间是由实体的界面围合而成的，不论是室内空间还是室外，尽管室外空间的围合体通常并不像室内那样具有六面实体，但是通过地面的平面实体造型，立面的柱、墙、植栽或水体等不同界面实体围合分割组合的，如图所示，玻璃和地面把空间一分为二

墙面是空间围合体的主要因素之一，在空间组合中，墙是空间形态构的侧界面，一般以垂直形式出现。采用墙面进行空间分割，利用各种元素去处理墙体的虚实对比 如图所示这样的处理不仅在建筑上成为重要的因素，他作为空间用，同时在园林景观空间上的处里也常见 ,左面的图片是一个安静休息，区，它的地面是由条石铺装，周围是用树木和墙围合而成，给人们营造出不同的感觉，形成半开敞空间，与外界的关系较密切，当人们右面的空间走到左面的空间是，必然还会形成强烈的对比作用，使人们感到顿时豁然开朗。

不同形状的空间会给人们不一样的感觉，设计者利用功能特点，适当的变换空间的形状，从而借两者的对比比作用以求得变化。空间的重复与变化在会给人们营造出不的感受，西安世园会遗址公园共有四个门，每个门前的广场在空间的处理上不相同如图锦绣门的空间和广运门的与众不不同，在入口我们会 看见如图所示的空间，它的形成给游人们提供了乘凉的地方，同时也是一件供人们欣赏的艺术品。

三.空间构成的形式及形式美规律

形式的属性有形状、空间、尺度、质感，位置，要创造美的空间，就必须遵循形式的法则，形式美的规律空间的多空间形态。主体空间十分突出，主从关系分明，辅助空间直间依附于主体空间，二者联系紧密。如长安塔在空间上二者共同为游人服务。空间设计以人为主，具有创造性和现实性。也体现了空间形式美的规律，变化与统一、对称与均衡、重复与渐变、主从与重点、韵律与节奏、比例与尺度。

1.变化与统一

在重复和类似中加入不同的元素，所产生变化的度和质的改变是由加入不同元素的多少而定，且不能影响特征和整体性。如世园会的园林空间风格，都是用植物与建筑营造。但变化的风格给人们不同的感觉。统一是构成美的特征，是和谐的整体，是一种完整的感觉。如世园会的霸上人家就做到这一点，大空间统一，小空间不断变化。充分体现统一多样性。

2.对称与均衡

对称是一种控制重复图形在构成中位置和方向的特殊规则，均衡可以通过对称、非对称或中心配置实现。如欧陆风情。两侧是欧洲园林建筑。中间是用是水池，水池两边列植圆柏，在对称中体现了均衡。

3.重复与渐变

重复是在一个设计中多次使用。可创造视觉和谐感。渐变也在园林中广泛应用。如图房子的重复，与地板铺装的渐变及重复，这样就不会给人视觉上的疲劳感。4.主从与重点

在设计中，一定要做主从处理，这样才能使之成为有机的整体。一个空间要有一个主体。才不会使整体平淡无奇。世园会以水体为构图中心。其他空间围绕主体空间，之间既联系又有区别。

5韵律与节奏

有规律的重复出现或有秩序的变化。并从中体现出的条理性。重复性和连续性具有的韵律美感和节奏美感。韵律美形式和规律在空间构成和创作中广泛应用。世园会天津馆充分利用这一点。创造出美轮美奂的意境。

6.比例与尺度

在空间设计中，应好好考虑空间分割比例与尺度。充分利用形式美法则。在形式艺术上来唤醒人们的思想感情，让人们融入到景中，有种回归自然的感觉。在世园会遗址公园的陕西省各市的展馆应用小空间，创造出不同地域文化的代表。四.分析植物在空间中的应用

植物在空间上可以形成开敞空间，半开敞空间，封闭空间，世园会遗址公园，应用植物的丰富多样性营造出不同的空间，是园林设计的一个重点，不同的形状和材料，其形式也是多种多样的，这些构成要素和形式既表达了空间的品质和功能，同时也是一种空间到另一种空间的延展，在未来城市发展中，植物构成空间的形式也会越来越受人关注.在现代的大多数城市中，虽然硬质景观占有绝对优势，但是一个追求优质景观的园林，更应单注重软质景观的规划与设计，而不应把它当成硬质景观的点缀。因为植物既可以美化环境又可以给变局部的小气候，还可以构成不同形式的空间，能给人一种安全性和私密性，是人亲近自然，同时还能在园林植物配设计中利用有限的面积营造出多种形式的空间，从而创造出良好的环境和居住空间，因此，植物构成空间在将来的景观设计中一定会发生重要的作用。

五．参考文献

1.薛健著.景观与环境设计丛书-绿化空间与景观设计

山东科学技术出版社，2005

2.段邦毅著.空间构成与造型

中国电力出版社

3.彭一刚.空间组合论.北京：中国建筑工业出版社

2005

浅谈空间在园林

景观中的应用

系别：建工系

班级：园林1001

姓名：邵立梅

学号：1045081031

第四篇：DFB激光器调研报告(在实际工程中的应用)

分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用

摘要：DFB(Distributed Feed Back)DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天 交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一.四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。

关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率

一、分布反馈式半导体激光器简介

1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。

2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。

二、分布反馈式半导体激光器原理

分布反馈式半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）×1018cm-1；p型为（1－3）×1019cm-1。在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

图中光栅的周期为A，称为栅距。当电流注入激光器后，有源区内电子—空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。

满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

三、分布反馈半导体激光器反馈方式

普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。

在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。

四、分布式反馈激光器的制造技术

DFB激光器的光栅结构通常在波导表面掩膜，刻蚀形成。但是，在制造过程中产生的晶格损伤会降低量子效率，增大阈值电流。

避免晶格损伤产生的影响：将光栅和激光器有源层分开。主要提供了三种方法。方法1：利用扩散方法

 1.在衬底GaAs上利用离子束刻蚀形成三阶光栅  2.P区掺杂Zn  3.在交界面1um下产生p-n结

方法2：利用separate confinementheterojunction 结构  1.注入的电子被p-Ga0.83Al0.17As  2限制在有源层

 3.光子传播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面  4.有源区不受晶格损伤的影响

方法3：利用水平耦合结构

 1.光通过横向和水平方向消逝场的重叠部分来提供光反馈  2.耦合系数k与脊的深度有关

 3.发射波长为9217埃，阈值电流为11mA

五、分布式反馈激光器特点

与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。（1）动态单纵模窄线宽输出

1、线宽窄：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。

2、典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约 50 GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50–100 kHz。

3、目前商用的DFB激光器在1.55μm处的线宽小于25埃。

由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。（2）波长稳定性好

1、传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。

2、DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。

3、分析：（1）波长漂移：

4、端面反射激光器：3.7埃/摄氏度

5、DFB激光器：0.8埃/摄氏度（3）阈值电流：在m=0时，J端=JDFB

1、但J1=3J0，并且在模式转换处阈值电

2、流急剧增加（由增益曲线和激光模式

3、在此温度下不匹配导致的）

由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8Å/℃，比F—P腔激光器要好得多。在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模

4、在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。

5、当 l 阶模和 l±1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。

尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅，DFB激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外，DFB激光器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增益较高。DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。

六、分布式反馈激光器实际工程系统中的应用

分布反馈式半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于)1Gh/。局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统[i1.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.下面我们具体来看看几种常用的半导体激光器的应用: 量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可*性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新。

 在印刷业和医学领域。

高功率半导体激光器也有应用.另外，如长波长激光器(1976年，人们用Ga[nAsP/InP实现了长波长激光器)用于光通信，短波长激光器用于光盘读出.自从NaKamuxa实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中.总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写人，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途.量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域.另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究.可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具大功率中红外(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。

 绿光到紫外光的垂直腔面发射器方面

绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储.近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面I2)、如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。

 军事方面的应用

半导体激光引信是一种光学引信, 属主动式近炸引信的技术范畴。激光引信通过激光对目标进行探测, 对激光回波信息进行处理和计算, 判断出目标, 计算出炸点, 在最佳位置适时引爆。炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后, 自炸机构可以引爆弹丸自毁。半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。

1.激光制导：它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。

半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用。激光制导的方法之一是驾束制导, 又称激光波束制导。从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束, 且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹, 当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探测到激光信号, 经信息处理后, 弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向, 形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构, 使其沿着波束中心飞行, 直至摧毁目标为止。另一种激光制导方法是光纤制导。通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器, 观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令,以达到控制操纵导弹的目的。

2.激光测距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。

测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性,略加改进, 还可测量车辆之间的距离并进行数字显示, 在低于所需安全系数时发出警报。半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具隐蔽性, 列阵功率高的特点, 可提高监测距离至1 km, 如配上扫描和图像显示装置, 则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时, 目标的活动情况可适时通过光缆传送到指挥所。选择较长的合适波长, 可成为全天候监测仪。

3.激光雷达：与CO2 激光雷达相比

半导体激光列阵的激光雷达体积小、结构简单、波长短、精度高、具有多种成像功能及实时图像处理功能, 包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。可用于监测目标, 测量大气水气、云层、空气污染;还可用作飞机防撞雷达, 机载切变风探测相干光雷达, 对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。半导体激光雷达主要是波长820～850 nm 的LD 及列阵。

4.激光模拟：以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904 nm 半导体激光器, 用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础, 最初称为激光交战系统(LES)。该系统的研制始于1973 年, 其可行性已得到了证实。1974 年引进了微处理机技术, 于是LES 发展成为多功能激光交战系统(MILES)。同年,赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES 工程的研制合同, 向陆军提供8 万多套装备, 用于地面作战模拟。此外, 该公司还研制了空对地作战系统以及MILES 空防样机。目前, 全世界有美、英、瑞(典)三国出售MILESII/SAWE 系统;北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。

5.深海光通信：半导体激光器具有抗干扰、保密性好等优点。

激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口(460～540 nm), 穿透深度约300 ft, 潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵(波长在920～1080 nm)就是一种这样的光源。

6.半导体激光瞄准和告警

瞄准具有两类: 一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础, 士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑, 以解决夜间士兵的瞄准射击问题;另一类激光瞄准以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在20 世纪80 年代推出的FA-4 型激光瞄准具的重量仅99 g, 长11.4 cm。为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求, 激光告警的工作波段不断得到拓展, 角分辨率也不断得到提高。

7.半导体激光通信

半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率, 就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。

8.军用光纤陀螺

军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广, 是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路, 采用Sagnac 干涉原理, 检测出随转动产生的两路激光束的相位差, 由此得出转动的角速度。其主要优点是: 无运动部件, 仪器牢固, 耐冲击, 抗加速运动;机构简单, 价格低廉;启动时间极短(原理上可瞬时启动);灵敏度高, 可达10-7 rad/s;动态范围极宽(约为2 000 度/秒);寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷等方面广泛应用。

 其他方面的应用

下表是DFB一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、Nd：YAG激光器种子源等领域上的应用：

下图是Harvard所研究的Hitran数据库在750-3500nm之间的光谱吸收图，可以作为大部分气体分析的数据参考：

1．用于发电站

严格监控各气体的成分比率：

H2O, O2, CO, CO2, NH3, NO2等； 实现更快更有效的燃烧；

减少污染物的排放，减小能耗。

2．用于过程控制

监测HCl 的浓度，优化PVC材料的生产； 监测燃烧室中 O2, CO, CO2 的浓度，控制钢铁的熔炼过程。

3．用于管道检测

天然气管道成分、泄漏检测。

4．用于太空研究

比如用于NASA实验室，俄罗斯航天

局等。

结语:

现代社会对光纤通信网络传输容量的要求急剧增长,波分复用系统复用的信道数越来越多,这就需要大量不同波长激光器来作为这种通信系统的光源。如果用分立器件来构成这种通信网络的话,那么波分复用系统将十分复杂,体积巨大,维护成本随传输容量同步上升。与此同时,这种通信系统的能耗也将上升到惊人的地步。为解决日益严重的系统复杂性和能耗激增问题,最好的方法是用多种功能器件集成的光子集成芯片取代分立器件,来构建波分复用通信系统。组成光子集成芯片的最核心器件——多波长激光器阵列的制造要比单个激光器难度大得多。目前已经商用的光子集成芯片中的分布反馈式多波长半导体激光器阵列,必须采用经过特殊加工、精度高达0.1纳米的电子束刻写设备来制造,加工过程十分缓慢复杂,成品率低下,其高昂的成本使之难以大规模商业化生产 为了解决上述困难,我们提出了利用重构一等效啁啾技术来设计制作半导体激光器及阵列的方法。

参考文献:

[1]杨红;杨柳;王晓畅;吴金辉;;冷原子系统中的四波混频增益和分布反馈激光[A];第十五届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2012年

[2]普小云;陈天江;杨睿;;消逝波增益耦合球形微腔中的受激拉曼散射[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年

[3]赵玲娟;朱洪亮;张静媛;周帆;王宝军;边静;王鲁峰;田慧良;王圩;;10Gbit/s高T_0无制冷分布反馈激光器[A];全国第十一次光纤通信暨第十二届集成光学学术会议（OFCIO’2003）论文集[C];2003年

[4] 史云飞;;分布反馈(DFB)光纤激光器温度特性研究[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年

[5]王志翔;许贵珍;;分布反馈单波长激光器的检测[A];第五次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1988年

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

第五篇：空间向量在立体几何中的应用

【利用空间向量证明平行、垂直问题】

例.如图，在四棱锥P—ABCD中，底面ABCD是正方形，侧棱PD⊥底面ABCD，PD=DC，E是PC的中点，作EF⊥PB于点F。

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

如图所示建立空间直角坐标系，D为坐标原点。设DC=a。

（1）证明：连接AC，AC交BD于G，连接EG。依题意得。

∵底面ABCD是正方形。∴G是此正方形的中心，故点G的坐标为，∴则而，∴PA//平面EDB。

（2）依题意得B（a，a，0），∴PB⊥DE由已知EF⊥PB，且

（3）解析：设点F的坐标为又，故，所以PB⊥平面EFD。，则

从而所以

由条件EF⊥PB知，即，解得

∴点F的坐标为，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的大小为60°。

点评：（1）证明两条直线平行，只需证明这两条直线的方向向量是共线向量．

（2）证明线面平行的方法：①证明直线的方向向量与平面的法向量垂直；②证明能够在平面内找到一个向量与已知直线的方向向量共线；③利用共面向量定理，即证明直线的方向向量与平面内的两个不共线向量是共面向量．

（3）证明面面平行的方法：①转化为线线平行、线面平行处理；②证明这两个平面的法向量是共线向量．（4）证明线线垂直的方法是证明这两条直线的方向向量互相垂直．

（5）证明线面垂直的方法：①证明直线的方向向量与平面的法向量是共线向量；②证明直线与平面内的两个不共线的向量互相垂直．

（6）证明面面垂直的方法：①转化为线线垂直、线面垂直处理；②证明两个平面的法向量互相垂直．【用空间向量求空间角】例.正方形ABCD—

中，E、F分别是，的中点，求：

（1）异面直线AE与CF所成角的余弦值；（2）二面角C—AE—F的余弦值的大小。

解析：不妨设正方体棱长为2，分别以DA，DC，DD1所在直线为x轴，y轴，z轴建立如图所示空间直角坐标系，则 A（2，0，0），C（0，2，0），E（1，0，2），F（1，1，2）（1）由，得

又，∴，即所求值为。

（2）∵

∴

∴，过C作CM⊥AE于M，则二面角C—AE—F的大小等于，∵M在AE上，∴设则，∵

∴

又∴

∴二面角C—AE—F的余弦值的大小为点评：（1）两条异面直线所成的角（2）直线与平面所成的角

求得，即

求得，即。

或

可以借助这两条直线的方向向量的夹角

主要可以通过直线的方向向量与平面的法向量的夹角

（3）二面角的大小可以通过该二面角的两个面的法向量的夹角求得，它等于两法向量的夹角或其补角。【用空间向量求距离】例.长方体ABCD—求：

（1）异面直线AM与PQ所成角的余弦值；（2）M到直线PQ的距离；（3）M到平面AB1P的距离。解析：（1）方法一：

如图，建立空间直角坐标系B—xyz，则A（4，0，0），M（2，3，4），P（0，4，0），Q（4，6，2），∴，中，AB=4，AD=6，M是A1C1的中点，P在线段BC上，且|CP|=2，Q是DD1的中点，故异面直线AM与PQ所成角的余弦值为

方法二：，∴

故异面直线AM与PQ所成角的余弦值为

（2）∵，∴上的射影的模

故M到PQ的距离为（3）设

是平面的某一法向量，则，∵因此可取，由于

∴，那么点M到平面的距离为，故M到平面的距离为。

点评：本题用纯几何方法求解有一定难度，因此考虑建立空间直角坐标系，运用向量坐标法来解决。利用向量的模和夹角求空间的线段长和两直线的夹角，在新高考试题中已多次出现，但是利用向量的数量积来求空间的线与线之间的夹角和距离，线与面、面与面之间所成的角和距离还涉及不深，随着新教材的推广使用，这一系列问题必将成为高考命题的一个新的热点。现列出几类问题的解决方法，供大家参考。

（1）平面的法向量的求法：设联立后取其一组解。，利用n与平面内的两个向量a，b垂直，其数量积为零，列出两个三元一次方程，（2）线面角的求法：设n是平面的法向量，是直线l的方向向量，则直线l与平面所成角的正弦值为。

（3）二面角的求法：①AB，CD分别是二面角的两个面内与棱l垂直的异面直线，则二面角的大小为。

②设或其补角。

分别是二面角的两个平面的法向量，则就是二面角的平面角

（4）异面直线间距离的求法：

是两条异面直线，n是的公垂线段AB的方向向量，又C、D分别是

上的任意

两点，则。

（5）点面距离的求法：设n是平面的法向量，AB是平面的一条斜线，则点B到平面的距离为。

（6）线面距、面面距均可转化为点面距离再用（5）中方法求解。