北京工业大学电子工程设计--二阶实验报告

2023年1月第2期Jan. 2023No.2教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM虚实结合仿真实训平台的建设与实践张乃龙（北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）［摘 要］ 为适应新工科建设的要求，加强学生综合工程能力培养，解决实践资源不足的问题，结合智能制造专业建设要求，搭建了虚实结合仿真实训平台应用于专业课程群的实践教学。

基于机械工程系统基本设计流程，构建课程群综合设计能力实训平台，把机械原理、机械设计、机械控制和创新方法实践等课程实践相贯通进行方案设计、结构设计和控制系统设计，建立虚拟设备模型、实物样机和控制系统相结合进行控制仿真验证的虚实仿真训练模式。

实践表明，虚实结合使实训内容多样化，机械系统设计的一线式实训更接近于实际，提高了学生的参与积极性，有助于提升学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 虚拟仿真；实践训练；虚实结合；能力培养［基金项目］ 2019年度北京工业大学教育教学研究课题（K2019ID003）［作者简介］ 张乃龙（1976—），男，山东临沂人，博士，北京工业大学材料与制造学部高级实验师，主要从事数字化设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）02-0109-04 ［收稿日期］ 2022-03-18近年来，随着工程教育中新工科建设的快速开展和工程教育专业认证工作的不断推进，国内各高校在机械工程专业的教学中越来越强调对学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养［1］。

创新能力和工程能力的培养离不开科学的实践教学体系和完善的校内外实验基地建设［2］。

面对场地限制和设备安全问题，各类仿真软件的使用为解决课程实践问题提供了可选的手段。

当前虚拟仿真平台在各类课程中已得到广泛应用，虚拟样机及计算分析软件在机械原理类课程［3］、三维建模软件在机械设计类课程中都已普遍开展应用训练［4-5］，电工电子和PLC课程也通过仿真软件实现了实训多样化［6-7］。

电子设计工程Electronic Design Engineering第28卷Vol.28第24期No.242020年12月Dec.2020收稿日期：2020-02-14稿件编号：202002057基金项目：国家自然基金青年基金（21406135）作者简介：张永伍（1980—），男，河北唐山人，硕士，高级工程师。

研究方向：电力系统自动化、继电保护。

随着智能变电站系统的优化和升级，SCD 电力文件配置与管理模式得到了快速推广，基于SCD 文件管理控制方式，能够实现对电能传输监控、电气拓扑设计、电网调试等过程的数字化描述和控制，还可以更精确、更合理地实现对电力文件的配置管理，提高变电站和整个电网的智能化水平。

对于保证电力系统的安全、稳定运行具有重要的现实意义[1-3]。

但现有的变电站SCD 文件管理系统的智能化水平及网络化水平不高，多基于局域网和以太网进行模块和软件控制流程的设计[4-5]，无法实现跨区域、长距离的远程监控和调整，给变电站的维护和电网数据监控带来困难。

针对现有智能变电站SCD 文件管理系统存在的不足，基于Web 服务器设计开发了一种新型SCD 文件管控系统，旨在提高电力系统文件管理的网络化水平和智能化水平，并实现对变电站运转状况的远程监控，提高智能变电站和电网系统的稳定性。

1SCD 文件管控系统框架设计随着全球互联网的发展及网络协议、软件系统的迭代升级，Web 服务器的应用场景越来越多[6]。

Web 服务器能够拓展XML 系统，具有嵌入式和结构基于Web 的智能变电站SCD 文件管控系统张永伍1，马红祥1，王洋1，韩辉2，孙玉杨2（1.国网天津市电力公司，天津300010；2.山东容弗新信息科技有限公司，山东济南250100）摘要：针对现有智能变电站SCD 文件管控系统在文件上传、下载、存储、共享时存在的耗时长、故障高等问题，该文利用Web 服务器设计了一种管控系统。

该系统主要包括嵌入式Web 文件管理模块、可视化交互模块、SCD 文件同步处理模块和资源整合模块。

基于OBE理念的教学改革与实践黄俊莲1，吕博学2，段雪丽1（1.北京工业大学耿丹学院工学院，北京101301；2.中星微电子有限公司软件工程部，北京100000）［摘要］“Python编程与实践”是面向计算机相关专业开设的一门专业课。

通过课程教学实践，基于OBE（Outcome-based educa-tion，成果导向教育）理念对课程进行改革，修订了课程教学大纲，重新制定了教学方案，规范了课堂教学，采用线上线下混合模式教学，线上讲解课程基本知识，线下课堂上采用项目案例方法进行教学，将课程完全转变为成果导向教学，提高了课程教学的深度和广度，提高了学生的实践能力。

［关键词］高校；计算机；Python；混合式教学；OBE［基金项目］2017年度北京工业大学耿丹学院教育创新激励基金项目“基于微信的高校课堂管理系统的设计与实现”［作者简介］黄俊莲（1978—），女，黑龙江明水人，硕士，北京工业大学耿丹学院工学院副教授，主要从事软件工程、智能信息处理研究；吕博学（1981—），男，山西大同人，硕士，中星微电子有限公司软件工程部工程师（通信作者），主要从事软件工程研究；段雪丽（1978—），女，甘肃庆阳人，硕士，北京工业大学耿丹学院工学院副教授，主要从事计算机网络技术及应用、软件工程研究。

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2021）13-0071-04［收稿日期］2019-06-10一、引言耿丹学院之前引入CDIO工程教学模式和PD-CA的迭代改进模式，并在全院推行多年，还引入了许多教学理念，极大地促进了学院的教学改革。

各位教师也不断地摸索具有自己特色的适应应用型本科教学的教学模式。

应该说，我们之前的教学改革取得了很大的进展，如培养方案、培养目标、课程体系、考核方式等与培养应用型、国际化人才更加匹配。

这次，工学院率先引入OBE教育理念，经过一段时间的培训、调研、讨论，确定了工学院各专业的培训目标、毕业要求、毕业要求指标点等，并按照OBE教学理念修订了培养方案、教学大纲和教案。

北京工业大学电子工程设计报告学院专业班级姓名学号指导教师同组人日期20 年月日北京工业大学电子工程设计实验报告书摘要进入21世纪，电子工程技术在人们生产生活各个领域中发挥着越来越重要的作用。

自动化电子电路控制工程因其智能化，稳定度高等优点应用范围日益广泛。

本次电子工程设计课题为基于51单片机的自动温控调节系统。

该系统通过温度传感器AD590将温度信号转化为电信号，运放调理电路将传感器转化的电信号调整为可以被A/D识别采集的电压信号，再经过A/D转换，转换成数字信号由单片机采集，数码管显示。

通过编程，单片机产生控制信号经过D/A转换送至驱动电路，控制温度控制器件从而实现温度调节。

本次电子工程设计主要设计稳压电源电路、信号调理转化电路、功率驱动电路。

稳压电源电路部分为220V交流信号通过变压器，交流整流桥DB105，稳压模块LM7805、LM7812、LM7912产生+5V,+12V,-12V直流信号。

信号调理转化电路部分为AD590产生的电流信号通过电压转换电路、跟随电路、放大电路、差动电路产生0—5V电压信号。

功率驱动电路为1mA经过限流电路、两级功率放大电路，送驱动器。

AbstractEnter twenty-first Century, electronic engineering technology in production and daily life of the people in various fields are playing a more and more important role. Automation of electronic circuit to control the project because of its advantages of high intelligence, stability of the increasing scope of application. The electronic engineering design project based on 51 single-chip automatic temperature control system. The system through the temperature sensor AD590 temperature signals into electric signals, the operational amplifier conditioning circuit of sensor into the electrical signal can be adjusted for A/D recognition and acquisition of the voltage signal, then after A/D conversion, converted into digital signal by SCM acquisition, digital tube display. Through programming, microcontroller generates a control signal after D/A conversion is sent to the driver circuit, control temperature controller so as to realize temperature control. The electronic engineering design of the main design of stabilized voltage power supply circuit, signal transformation circuit, power driving circuit. Regulated power supply circuit is part of the 220V AC signal through a transformer, AC rectifier voltage regulator module DB105, LM7805, LM7812, LM7912 +5V, +12V, -12V DC signal. Signal conversion circuit part of the AD590 generates a current signal by voltage conversion circuit, with circuit, amplifying circuit, a differential circuit generates a voltage signal 0 - 5V. Power driving circuit for 1mA after limiting circuit, two stage power amplifying circuit, to drive.目录1 绪论 (1)2 设计内容与电路设计 (2)2.1设计内容： (2)2.2电路设计要求: (2)3 主要芯片与工具方案 (3)3.1 设计平台与仿真工具 (3)3.2 芯片及模块方案 (3)3.2.1 运算放大器的选择 (3)3.2.2 传感器选择 (3)3.2.3元器件的选择 (4)3.2.3.1电阻 (4)3.2.3.2电容 (4)3.2.3.3三极管 (5)4 总体方案介绍 (5)4.1系统设计方案 (5)4.2系统设计方案 (5)5 单元电路设计（设计思路、原理及功能实现） (6)5.1直流供电电源部分 (6)5.1.1系统框图及波形 (6)5.1.2直流电源原理： (7)5.1.3电源电路原理图 (7)5.1.4 电源电路PCB图 (8)5.1.5 注意事项 (9)5.1.6测量与误差比较 (9)5.1.7实验中遇到得问题 (9)5.2 前级信号调理电路（变送器）部分 (9)5.2.1变送器功能工作原理 (9)5.2.2变送器工作原理图 (10)5.2.3 PCB版图： (11)5.2.4主要应用芯片 (12)5.2.5温度校准 (13)5.2.6测量结果 (13)5.2.7误差分析 (13)5.2.8实验中遇到得问题 (14)5.3 功率放大器电路（驱动器）部分 (14)5.3.1驱动器原理 (14)5.3.2驱动电路原理图 (14)5.3.3 PCB版图 (15)5.3.4测量结果 (16)5.3.5实验中遇到的问题 (16)6心得体会 (17)7 附：电路实物图 (18)1绪论当代电子技术在不断发展、日益完善，电子工程得到越来越多人的需求与应用。

十进制加法器设计1课程设计的任务与要求 课程设计的任务1、综合应用数字电路知识设计一个十进制加法器。

了解各种元器件的原理及其应用。

2、了解十进制加法器的工作原理。

3、掌握multisim 软件的操作并对设计进行仿真。

4、锻炼自己的动手能力和实际解决问题的能力。

5、通过本设计熟悉中规模集成电路进行时序电路和组合电路设计的方法，掌握十进制加法器的设计方法。

课程设计的要求1、设计一个十进制并运行加法运算的电路。

2、0-9十个字符用于数据输入。

3、要求在数码显示管上显示结果。

2十进制加法器设计方案制定 加法电路设计原理图1加法运算原理框图如图1所示第一步置入两个四位二进制数。

例如（1001）2,（0011）2和（0101）2，（1000），同时在两个七段译码显示器上显示出对应的十进制数9，3和5，8。

2第二步将置入的数运用加法电路进行加法运算。

第三步前面所得结果通过另外两个七段译码器显示。

即：加法运算方式，则（1000）2+（0110）2=（1110）2 十进制8+6=14 并在七段译码显示出14。

运算方案通过开关S1——S8接不同的高低电平来控制输入端所置的两个一位十进制数，译码显示器U8和U9分别显示所置入的两个数。

数A直接置入四位超前进位加法器74LS283的A4——A1端，74LS283的B4——B1端接四个2输入异或门。

四个2输入异或门的一输入端同时接到开关S1上，另一输入端分别接开关S5——S8，通过开关S5——S8控制数B的输入,通过加法器74LS283完成两个数A和B的相加。

由于译码显示器只能显示0——9，所以当A+B>9时不能显示，我们在此用另一片芯片74LS283完成二进制码与8421BCD码的转换，即S>9（1001）2时加上3（0011）2，产生的进位信号送入译码器U10来显示结果的十位，U11显示结果的个位。

3十进制加法器电路设计加法电路的实现用两片4位全加器74LS283和门电路设计一位8421BCD码加法器。

北京工业大学全日制专业学位研究生开题报告学位级别：□博士√□硕士学号：S3研究生姓名：李小祥指导教师姓名：刘嘉专业类别：机械工程工程领域：所在学院：机电学院开题报告时间：北京工业大学研究生院制表注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。

格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。

开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。

开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。

一、基本情况报告正文（一）选题依据与研究内容1、选题依据（专业类别或领域的研究意义、国内外研究现状等）课题背景传统对电容充电的方法是先经过整流桥整流，然后通过反激变换器并变压整流后给电容充电。

由于整个过程没有功率因数校正环节，导致电网侧输入电流导通角很小电流波形畸变严重，产生大量谐波分量，造成功率因数很低并对电网侧造成很大污染。

本课题研究对电容充电电源不同于普通电源。

普通电源的目标电容容值很小，对电容充电时电压上升很快。

当用反激变换器作为主拓扑结构并采用固定的开关周期给电容充电时，次级电感电压（电容端电压和二极管电压之和）能很快等于初级电感电压。

这时就满足了伏秒平衡的条件，使变压器工作在稳定的状态。

本课题研究对电容充电过程PFC的目标电容容值很大，使变压器稳定状态建立过程很长。

当次级电感电流还没有把能量完全传递给电容，就会在开关管打开的时候将这一部分能量传递给初级，初级的能量就会在此基础上上升。

如此循环，初级的能量会越积累越多。

达到一定程度就会使变压器或开关器件损坏。

能量以电流的形式表示出来就是在次级把能量传给初级时电感时，初级电感的电流就会有一个突变并在此突变上继续线性上升。

从宏观上看就会形成电流的突尖。

为了不使电流突尖损坏开关器件，必须要压低电感电流，并保证电流在突尖顶峰时还不会损坏变压器或开关管。

这样又会造成充电功率的不足，不能保证在很短的时间内将电容充满。

电子工程设计第二阶段设计报告电子工程设计第二阶段设计报告11电子工程设计第二阶段报告题目：温度测量系统专业： 通信工程小组： 14 姓名学号： 张亦驰 于伦指导教师： 司农完成日期：2011.12.20目录目录温度控制系统温度控制系统一 总述………………………………………………………总述………………………………………………………3 3二 设计任务与要求…………………………………………设计任务与要求…………………………………………3 3三 单片机……………………………………………………单片机……………………………………………………4 4四 D/A 转换电路……………………………………………转换电路……………………………………………8 8五 A/D 转换电路……………………………………………转换电路……………………………………………11 11六 显示键盘电路……………………………………………显示键盘电路……………………………………………14 14七 温度测量系统……………………………………………温度测量系统……………………………………………22 22 八 心得体会…………………………………………………心得体会…………………………………………………25 25九 附录………………………………………………………附录………………………………………………………26 26摘要：摘要：第一阶段我们已经完成了电源板和变送器。

本学期的第二阶段要求是完成这个系统中单片机，个系统中单片机，A/D A/D A/D，，D/A 转换电路和显示与键盘控制电路部分。

温度控制系统总体概述（一）、总述电子工程设计训练是一门综合理论知识，实践操作，电子电路系统的设计、实现、调试、调试、故障排查等方面的综合性训练。

故障排查等方面的综合性训练。

故障排查等方面的综合性训练。

第一阶段只完成了电源以及变送器第一阶段只完成了电源以及变送器部分。

本阶段工作量非常大，需要完成单片机，数模，模数转换电路和显示与键盘控制电路部分，并且完成测温系统的测试。

模型不确定二质量系统的振动抑制与实验研究徐宝申;周波【摘要】针对电机柔性连接负载驱动系统在加减速时会产生不稳定的扭转振动,以及刚度系数测量复杂且难以准确计算的问题,提出了通过对开环系统电机端速度响应进行时频分析,识别系统谐振频率以及调整时间的方法,进而设计了一种IP反馈控制与输入整形前馈相结合的振动抑制控制器,在提高系统响应速度的同时,达到较好的振动抑制效果.在模型不确定二质量扭转谐振平台上进行实验研究,实验结果表明该方法能够有效抑制负载端振动,并显著提高系统响应速度.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】4页(P175-178)【关键词】振动抑制;二质量扭转系统;模型不确定;时频分析;IP控制器【作者】徐宝申;周波【作者单位】北京城市学院资源设备管理办公室 ,北京 101309;北京城市学院信息学部 ,北京 101309【正文语种】中文【中图分类】TP273工业生产设备中普遍存在柔性连接负载,使伺服系统在加减速过程中产生振动,不但严重影响设备安全运行,而且迫使伺服系统降低响应速度,以致影响伺服系统的控制品质。

电机驱动系统通常可视为二质量柔性扭转系统,研究此类柔性负载的振动抑制问题对提高伺服系统性能具有重要意义[1]。

针对二质量系统振动抑制的研究成果包括基于多项式惯量比的低阶IP控制器设计[2]、基于极点配置的PI/PID控制器设计[3-4]、模糊控制及神经网络控制[5-6]等。

其中采用低阶IP控制的方法结构简单、参数设计方便,在工业中得以广泛采用。

此外,为进一步提高系统响应速度,研究人员引入输入整形前馈以实现机构残余振动的快速抑制[7]。

然而,不论是输入整形器还是低阶IP控制器,均依赖系统的模型参数。

但在实际工程应用中,难以对柔性轴的刚度系数和系统谐振频率精确建模。

此外,生产现场伺服系统只有电机端速度可测,而由于传动间隙及减速比等原因,电机端速度振动微小,传统分析手段很难识别出系统的特征参数。

篇一：大唐实习报告认识实习实习报告学生姓名：学院：专业：班级：指导教师：2012年 9月 9日1、实习目的实习的目的主要在于通过教师和工程技术人员的当堂授课以及工人师傅门的现场现身说法全面而详细的了解相关材料工艺过程。

实习的过程中，学会从技术人员和工人们那里获得直接的和间接地生产实践经验，积累相关的生产知识。

通过实习，学习本专业方面的生产实践知识，为专业课学习打下坚实的基础，同时也能够为毕业后走向工作岗位积累有用的经验。

实习还能早些了解自己专业方面的知识和专业以外的知识，早些认识到将面临的工作问题，明白以后读大学是要很认真的读，要有好的专业知识，才能为好的实际动手能力打下坚实的基础，更让你明白了以后要有一技之长，才能迎接以后的挑战，也让你知道了大学是为你们顺应科学发展的垫脚石和自身发展的机会。

2、实习企业介绍2.1 内蒙古方圆科技有限公司内蒙古方圆科技有限公司主营铝合金。

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。

抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。

通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。

这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。

第47卷第6期2021年6月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.47No.6Jun.2021铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计杨登才1,陈雨康1,王云新2,向美华1,陈智宇3,刘萍萍1,兰　天1(1.北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院,北京　100124;2.北京工业大学理学部物理与光电学院,北京　100124;3.中国电子科技集团第29研究所电子信息控制重点实验室,成都　610036)摘　要:电光调制器的半波电压和带宽主要取决于其电极结构,基于绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器波导与基底折射率差为传统工艺的10倍左右,能够大幅提高光场和电场的重叠度,降低调制器的半波电压,提升调制带宽.当前迫切需要针对这一新型调制结构的电极进行优化设计.应用COMSOL Multiphys⁃ic 和HFSS 软件对LNOI 结构的强度调制器进行协同仿真和优化设计.主要讨论了电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距和上下包层厚度对调制器特性参数的影响,得到了调制器的电光重叠积分㊁微波折射率㊁微波衰减系数和电极特性阻抗等参数.在此基础上,通过约束算法优化设计这些性能参数达到提高带宽和降低半波电压的目的.结果表明,在电极长度为1cm 的情况下,半波电压约为2.17V,3dB 带宽大于70GHz.该研究工作对基于LNOI 结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.关键词:协同仿真;薄膜铌酸锂;行波电极;相速匹配;重叠积分;电极结构参数中图分类号:TN 252文献标志码:A文章编号:0254-0037(2021)06-0565-08doi :10.11936/bjutxb2020010007收稿日期:2020⁃01⁃08基金项目:国家自然科学基金资助项目(61771438,61871007);装备预研基金资助项目(6141B08231102)作者简介:杨登才(1978 ),男,副研究员,主要从事光电子器件方面的研究,E⁃mail:dengcaiyang@Collaborative Simulation and Optimal Design of LiNbO 3Thin Film ModulatorYANG Dengcai 1,CHEN Yukang 1,WANG Yunxin 2,XIANG Meihua 1,CHEN Zhiyu 3,LIU Pingping 1,LAN Tian 1(1.Institute of Laser Engineering,Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.College of Physics and Optoelectronics,Faculty of Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;3.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,CETC29,Chengdu 610036,China)Abstract :The half⁃wave voltage and bandwidth of the electro⁃optic modulator depend mainly on its electrode structure.The difference of refractive index between the waveguide and the substrate of the modulator based on the lithium niobate on insulator (LNOI )is about ten times of the traditional technique,which can significantly improve the overlap degree of light field and electric field,reduce the half⁃wave voltage,and improve the bandwidth.Therefore,it is urgent to optimize the electrode design ofthis structure.In this paper,COMSOL Multiphysics and HFSS were used to simulate and optimize the electrode of intensity modulator based on LNOI structure.The effects of electrode width,electrode thickness,electrode gap,upper and lower cladding thickness on the characteristic parameters of the modulator were discussed.Then,the parameters of the modulator,such as electro⁃optic overlap integral,microwave effective refractive index,microwave attenuation coefficient and electrode characteristic impedance,were obtained.On this basis,these performance parameters were optimized to improve北　京　工　业　大　学　学　报2021年bandwidth and reduce half wave voltage.Results show that the half⁃wave voltage reaches2.17V,and the bandwidth of3dB is better than70GHz when the electrode length is1cm.The proposed work has important significance for the electrode design of LNOI⁃based electro⁃optic modulator.Key words:collaborative simulation;lithium niobate thin film;traveling wave electrode;phase velocity matching;electro⁃optic overlap integral;parameters of electrode 铌酸锂(lithium niobate,LN)材料具有电光系数大㊁光谱响应范围宽和加工工艺技术成熟的优点[1⁃2],在光纤通信㊁光纤陀螺等领域得到了广泛应用[2].传统的铌酸锂强度调制器采用质子交换或者钛扩散的方法制备光波导[1⁃5],由于掺杂部分的铌酸锂与无掺杂的铌酸锂衬底折射率差很小,约为0.007,导致光模场直径为9μm左右.为了避免两波导发生模式耦合,通常要求调制电极之间具有较大的间距,这就间接降低了电光作用强度.在1.55μm的工作波长下,传统铌酸锂强度调制器的半波电压与电极长度乘积一般在10V㊃cm以上[4⁃5].近年来,由于铌酸锂薄膜工艺的突破,绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator,LNOI)结构调制器逐渐成为研究热点.LNOI基片的衬底材料为硅或者铌酸锂,衬底上生长了一定厚度的二氧化硅,二氧化硅层表面键合着一层薄薄的铌酸锂单晶薄膜[6].LNOI结构波导主要是通过刻蚀或腐蚀工艺加工铌酸锂薄膜形成脊形波导.脊型波导与二氧化硅包层的折射率差为0.7左右,更大的折射率差能获得尺寸更小的导模,光模场直径约为1μm[7],这样能极大地减小电极间距,增大电光作用效率.目前,国内外报道的基于铌酸锂薄膜的电光调制器,半波电压长度乘积达到了2.2V㊃cm[8⁃10],1cm电极长度下电光调制带宽达到了70GHz以上[11],这些性能参数均大大优于传统铌酸锂调制器.同时,新的衬底结构要求相匹配的电极结构,才能获得更低半波电压并提高调制带宽.然而目前尚未见专门针对LNOI结构的调制电极进行优化设计的相关报道[8,10⁃15].本文基于有限元方法,对基于铌酸锂薄膜强度调制器的电极结构进行了深入分析和优化设计.该研究对LNOI结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.1　电极结构分析马赫增德尔(Mach⁃Zehnder,MZ)强度调制器利用电极施加电压信号来改变调制臂光波相位,两臂干涉后实现输出光强的调制功能.输出光强最大和最小时对应的电压差即为半波电压[16],可表示为Vπ=λg n3eγ33Γl(1)式中:λ为光波长;g为电极间距;n e为e光折射率;γ33为晶体z轴电光系数;l为电极长度;Γ为电光重叠积分因子[10],可以表示为Γ=g V∬E2o(x,y)E(x,y)d x d y∬E2o(x,y)d x d y(2)式中:V为外加电压;E(x,y)为微波场分布;E o(x, y)为光模场分布.频率响应函数H(f)的表达式[17]为H(f)=e-αL[2sin h(2αl)2+sin(2εl)(2αl)22(+εl)2]20.5(3)式中:ε为相速失配因子,ε=2πf(n eff-n o)/c,n eff为介质中微波的有效折射率,统一简称为微波折射率, n eff=cβ/ω,β为相位常数,ω为角频率,c为真空中的光速,n o为铌酸锂介质中光的有效折射率;α为微波衰减系数,包括导体损耗和介质损耗,Np/m.当频率响应函数H(f)等于1/2时,对应的频率范围即为3dB电光调制带宽Δf[17].与集总电极相比,行波电极结构具有调制带宽大的特点,所以本文以行波电极结构为对象进行分析.为了避免微波反射,需要进行阻抗匹配,即行波电极特性阻抗要接近50Ω负载阻抗.行波电极的特性阻抗Z0[18]为Z0=R+jωLG+jωC(4)式中R㊁L㊁G㊁C分别为行波电极的等效电阻㊁电感㊁电导和电容.综上所述,在给定电极长度和电极间距的条件下,调制器的半波电压Vπ主要由电光重叠积分Γ决定;调制带宽Δf主要由介质中的微波折射率n eff 和衰减系数α决定.回波损耗主要由特性阻抗Z0决定.要得到上述调制器特征参数,需要对强度调制器的调制臂建模进行截面分析和频率扫描分析.665　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计2　模型建立2.1　整体模型为了实现宽带宽调制,调制器的电极通常采用共面波导(coplanar waveguide,CPW)行波电极结构,其建模基于传输线结构.图1(a)显示的是铌酸锂MZ 调制器内部的电极俯视图,可以看到,电极主要分为调制区和过渡连接区,其中调制区决定了器件的半波电压和带宽.调制器的截面模型如图1(b)所示.图中黄色部分代表电极,电极材料为金,中间为信号电极(S),两边为地电极(G),红色部分为二氧化硅,青色部分为铌酸锂薄膜刻蚀后的脊波导结构,橘黄色部分为硅衬底.截面参数主要有:信号电极宽度w㊁电极厚度t㊁电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d .图1　CPW行波电极结构Fig.1　Structure of CPW traveling wave electrode 2.2　协同仿真流程利用COMSOL集团的COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件和ANSYS公司的HFSS高频电磁场仿真软件进行协同仿真设计,仿真流程如下. 1)从电极截面出发,建好截面模型后,利用COMSOL软件提取CPW行波电极的R㊁L㊁G㊁C分布参数,计算得到微波有效折射率㊁特性阻抗和微波衰减系数;同时进行模式分析得到波导内的光模场分布,进而求得电光重叠积分.2)对电极的厚度t㊁电极宽度w㊁多电极间距g㊁上包层厚度t u和下包层厚度t d进行参数化扫描,优化得到一组综合性能指标最优的电极参数. 3)利用优化得到的电极参数在HFSS中建立三维传输线模型,设置波导端口激励和网格后,进行频率扫描,可以计算得到电极的S参数.该协同仿真模型中,截面二维模型利用COMSOL软件计算,复杂的三维模型利用HFSS软件计算,发挥了各个软件的优势,具有求解速度快㊁节省计算机资源的优点.3　电极优化设计3.1　模型验证在上述建模基础上,完成电极设计,通过实验验证仿真方法的有效性.首先根据文献[10]中的电极参数进行仿真,并将仿真结果(simulation result,SR)和实验结果(experimental results,ER)进行了比较,电场和光模场分布如图2所示,其中左侧颜色栏表示光模场强度,右侧颜色栏表示电场强度㊂实验脊波导参数为:脊顶部宽度1.0μm,脊厚0.3μm,脊下薄膜层厚度0.3μm,倾角75°.可以得到,单模光斑较好地束缚在脊波导里,且波导内的电场作用分布较强.仿真和实验数据对比如表1所示,半波电压与电极长度乘积的实验结果略大于仿真结果,在误差允许范围内;特性阻抗和微波有效折射率的仿真结果和实验结果非常接近,验证了上述方法建模的有效性.图2　电场和光模场分布Fig.2　Distribution of electric field and optical mode field表1　实验结果与仿真结果比较Table1　Comparison of ER and SR参数w/μmt/μmg/μmVπ㊃l/(V㊃cm)Z0/Ωn eff ER130.651.4502.3 SR1.1492.3765北　京　工　业　大　学　学　报2021年 利用该模型进行优化设计.根据经验数据和实际工艺条件[8,10,19⁃20],本文仿真条件设置如下:光波长为1.55μm,微波信号频率设为20GHz,电极宽度的扫描范围为5~30μm,步长为2μm,初始电极宽度为13μm;电极厚度的扫描范围设为0.6~5.0μm,步长为0.4μm,初始电极厚度为1μm;电极间距的扫描范围设为3~10μm,步长为1μm,初始电极间距为5μm;下包层的扫描范围设为1~2μm,步长为0.2μm,初始下包层厚度为1.6μm;上包层的扫描范围设为0~2μm,步长为0.2μm,初始上包层厚度为0.3μm.3.2　电光重叠积分根据式(1)可得,电光重叠积分越大,半波电压越小.分析不同电极间距下,电光重叠积分的变化情况.将式(1)做如下变换Vπ=λg n3eγ33ΓL =λn3eγ33L1Γ/g(5)式中Γ/g为重叠积分与电极间距之比.由式(5)可以得到,半波电压随Γ/g的增大而减小.设置电极宽度㊁电极厚度㊁下包层厚度和上包层厚度参数为初始值,对电极间距进行扫描,得到Γ/g随电极间距的变化,仿真结果如图3(a)所示.可以看出,电极间距越小,Γ/g越大,表明电极间距减小,模场处的电场强度增强,而电极宽度的变化不会引起电极间电场的变化.此外,电极厚度和上㊁下包层厚度对电极间电场分布均有一定的影响.不同下包层厚度下,电光重叠积分随电极厚度的变化如图3(b)所示.仿真时设置电极宽度㊁电极间距和上包层厚度为初始值,不同下包层厚度下对电极厚度进行扫描.当下包层厚度为定值时,随着电极厚度的增大,电光重叠积分快速增大,电极厚度从0.6μm增加到3.0μm时,重叠积分增幅为8.6%,当电极厚度大于3.0μm之后,曲线趋于平缓,变化小于0.1%,即模场处快速增大的电场此后基本趋于稳定,电极厚度最优取值不低于3.0μm,以得到较大的重叠积分;当给定电极厚度,下包层厚度从1.0μm增加到2.0μm的过程中,电光重叠积分逐渐增大,增幅约为3.4%.设置电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和t d参数为初始值,对t u进行扫描,分析电光重叠积分随上包层厚度的变化关系时,得到的变化曲线如图3(c)所示㊂没有覆盖上包层(t u=0)时,电光重叠积分处于最小值1.13;当覆盖上包层,并逐渐增加t u,但不超过电极厚度1.0μm时,电极间分布的电场得到了一定的束缚,局部电场增大,电光重叠积分迅速提高图3　电极参数对电光重叠积分的影响Fig.3　Influence of electrode parameters onelectro⁃optic overlap integration了3.5%.当t u大于电极厚度1.0μm时,电极间的电场束缚不再增强甚至开始减弱,所以电光重叠积分略有减小的趋势.因此,t u应不超过电极厚度.3.3　微波折射率根据前面的分析可知,调制带宽主要与相速失配和微波衰减有关,相速失配越小,带宽越大.相速失配的原因是铌酸锂波导中的微波折射率接近光波折射率的2倍,需要通过改变电极结构参数来降低微波折射率.微波折射率可表示为n eff=εeff,εeff 为介质的有效介电常数,所以改变微波折射率的方法主要是通过改变电极附近低介电常数材料的结构865　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计或面积,来达到改变有效介电常数的目的.首先,对电极宽度和电极间距进行扫描,得到不同电极间距下,微波折射率随电极宽度的变化如图4(a)所示.随着电极宽度的增加,微波折射率逐图4　电极参数对微波折射率的影响Fig.4　Influence of electrode parameters onmicrowave refractive index渐增大,当电极间距为7μm 时,电极宽度从10μm 增加到30μm 的过程中,微波折射率增幅最大为2.2%,另外电极间距从3μm 增加到6μm 的过程中,微波折射率逐渐减小,不同电极宽度下的减少幅度在3.0%~4.6%变化,电极间距大于6μm 之后微波折射率趋于不变.因此缩小电极宽度和增大电极间距,有利于降低微波折射率,而且增大电极间距的效果更为显著.此外,上下包层厚度和电极厚度的改变也会影响有效介电常数进而影响微波折射率.电极厚度和下包层厚度对微波折射率的影响如图4(b)所示,在仿真扫描范围内电极和下包层越厚,微波折射率越低,在电极厚度从0.6μm 增加到5.0μm 时,微波折射率降低了9.4%左右,下包层厚度从1.0μm 增加到2.0μm 时,微波折射率降低了5.4%左右.上包层厚度对微波折射率的影响如图4(c)所示.微波折射率随着上包层厚度的增加而增加,厚度从0增加到2.0μm 时,微波折射率增加了6.8%.因此,增加电极厚度和下包层厚度,减小上包层厚度,有助于降低微波折射率.3.4　微波衰减系数影响带宽的另一因素是电极的微波衰减系数,衰减系数越小,带宽越大.衰减系数由导体损耗和介质损耗共同决定.导体损耗源于导线阻抗对电流的消耗,由于射频信号的趋肤效应,导致电流损耗变大;介质损耗源于介质的极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化,消耗能量.首先分析电极宽度和电极间距对衰减系数的影响.不同电极间距下,衰减系数随电极宽度的变化如图5(a)所示.电极宽度增大时,电极截面变大,阻抗减小,导体损耗也将减小,而介质损耗近似不变,所以衰减系数减小,当电极间距增大时,局部电场减弱,介质极化变弱,介质损耗将减小,而导体损耗近似不变,所以衰减系数也减小,这与图中曲线的变化趋势十分契合.因此增大电极宽度和电极间距有助于减小微波衰减.其次分析电极厚度的变化与电极宽度的变化类似,随着电极的加厚,电极截面变大,导体损耗减小,而介质损耗不变,所以衰减系数将减小,如图5(b)所示.从图中还注意到电极厚度大于3倍趋肤深度(1.65μm)时,剧烈下降的衰减系数开始趋于平缓;另外下包层厚度增大时,介质损耗稍有降低,衰减系数略有减小.所以增大电极厚度和下包层厚度有利于降低微波衰减.最后分析衰减系数随上包层厚度的变化,如图5(c)所示.随着上包层厚度的增加,电极间电场强度变大,介电损耗将增大,所以衰减系数也有所增加.因此上包层越薄,衰减系数越小,仿真扫描范围内变化幅度小于6.5%.3.5　特性阻抗行波电极的特性阻抗与负载阻抗不匹配,即阻抗失配,会引起回波损耗.阻抗失配越小,即特性阻抗越接近负载阻抗,回波损耗越小.965北　京　工　业　大　学　学　报2021年图5　电极参数对衰减系数的影响Fig.5　Influence of electrode parameters onattenuation coefficient首先分析不同电极间距下,特性阻抗随电极宽度的变化.根据前面的分析,电极宽度越宽,电极截面越大,所以特性阻抗将减小.电极间距越大,高频电信号与地电极的距离变大,所以特性阻抗将变大,仿真结果如图6(a)所示.其次分析不同下包层厚度下特性阻抗随电极厚度的变化,如图6(b)所示.随着电极厚度的增加,电极截面变大,特性阻抗迅速减小.下包层厚度增大,阻抗略有增加.因此减小电极宽度,增大电极间距,减小电极厚度以及增大下包层厚度,有助于增大特性阻抗.最后分析上包层厚度对特性阻抗的影响,如图6(c)所示.随着上包层的增厚,特性阻抗逐渐减小.因此减小上包层的厚度有利于增大特性阻抗,从图6　电极参数对特性阻抗的影响Fig.6　Influence of electrode parameters oncharacteristic impedance2.0μm厚度减小到0μm,特性阻抗增大了6.2%.3.6　优化分析电极宽度㊁电极间距㊁电极厚度和上下包层厚度对各电极性能参数的影响十分复杂,无法同时达到最优值,所以它们的取值应该综合考虑.这里采用软件内置的多变量约束优化算法,把电极宽度㊁电极间距和电极厚度作为自变量,半波电压㊁微波有效折射率㊁微波衰减系数和特性阻抗作为因变量,暂时不覆盖上包层,首先设置下包层厚度为2.0μm,在一定范围内随机改变自变量的值使得半波电压㊁微波衰减系数趋近最小值,微波有效折射率和特性阻抗分别趋近光模式有效折射率1.876和匹配阻抗50Ω,经过数次迭代,得到了一组优化解,电极宽度㊁电极间距和电极厚075　第6期杨登才,等:铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计度分别为6.0㊁6.0㊁6.0μm,此时计算得到20GHz 下微波折射率为1.842,特性阻抗为46.6Ω,半波电压为2.61V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,模型分析得到光模式有效折射率为1.895,微波有效折射率为1.864,特性阻抗为46Ω,相速匹配和阻抗匹配均良好,半波电压为2.45V,降低了0.16V .由于下包层的增厚对各表征参数均有利,因此接下来将下包层厚度设置为4.6μm,重复优化求解步骤,得到新的一组优化解,电极宽度㊁电极厚度㊁电极间距参数分别为13.3㊁2.2㊁5.3μm,在20GHz 下微波折射率为1.950,特性阻抗为49.2Ω,半波电压降为2.35V,当覆盖厚度为0.4μm 的上包层时,微波有效折射率为1.975,特性阻抗为48.8Ω,半波电压为2.17V,这表明在下包层厚度增加后,器件阻抗得到了更好的匹配,半波电压也得到了进一步降低.LNOI 结构电光调制器的调制波导可以采用干法或湿法刻蚀工艺,在LNOI 衬底上刻蚀出脊型波导,目前哈佛大学㊁山东大学㊁中山大学等多个研究机构已经进行了深入的研究和探索[7,10⁃11],并成功实现了铌酸锂薄膜波导的刻蚀.然后,通过蒸镀一定厚度的金电极实现调制电极的制备.蒸镀电极之前,在铌酸锂表面溅射一层几纳米的金属铬膜,用于增加金电极的黏附性,而这层铬膜对电极性能的影响很小,因此,分析时常忽略不计.最后,溅射一层二氧化硅作为脊波导的上包层,降低脊波导表面粗糙度带来的损耗.接下来对4.6μm 下包层厚度下选定的参数建立片上行波电极模型,进行频率扫描分析.图7　行波电极的频率响应曲线Fig.7　Frequency response curve of traveling⁃wave electrode4　高频特性分析利用优化得到的电极参数在HFSS 软件中建立三维CPW 传输线模型,电极长度设为1cm,对其进行频率扫描,扫描范围为0.1~75.0GHz,步长0.1GHz .扫描得到电光S21(EO⁃S21)和电极回波损耗S11(E⁃S11)的频率响应曲线如图7所示.可以看出,3dB 调制带宽大于70GHz,高频条件下的回波损耗整体低于-20dB .5　结论1)仿真分析表明,脊上覆盖的上包层能够有效增大电光重叠积分,上包层越厚,电光重叠积分越大,当t u 超过电极厚度时,重叠积分变化趋缓.然而,上包层的加厚会降低阻抗,增大微波折射率和微波损耗,不利于阻抗匹配和相速匹配,但是能够降低半波电压.因此,需要权衡考虑脊上覆盖的上包层的参数设计,兼顾半波电压㊁带宽等性能.2)随着t d 的增加,电光重叠积分和特性阻抗均增大,微波折射率和微波损耗均减小,既有利于降低半波电压和电极回波损耗,又能增大带宽,所以应在工艺允许范围内尽可能增加t d .3)优化得到了一组电极参数,当电极长度为1cm 时,器件半波电压为2.17V,3dB 带宽大于70GHz,回波损耗在高频条件下整体低于-20dB,达到了较好的优化设计结果.由于目前还没有针对这种新结构的电极分析的报道,因此本文的研究对基于LNOI 结构电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.参考文献:[1]NOGUCHI K,MITOMI O,MIYAZAWA limeter⁃wave Ti:LiNbO 3optical modulators [J ].Journal of Lightwave Technology,1998,16(4):615⁃619.[2]WOOTEN E L,KISSA K M,YI⁃YAN A,et al.A reviewoflithiumniobatemodulatorsforfiber⁃opticcommunications systems [J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2000,6(1):69⁃82.[3]JANNER D,TULLI D,GARCÍA⁃GRANDA M,et al.Micro⁃structured integrated electro⁃optic LiNbO 3modulators [J].Laser &Photonics Reviews,2010,3(3):301⁃313.[4]LUO R,JIANG H,ROGERS S,et al.On⁃chip second⁃harmonic generation and broadband parametric down⁃conversion in a lithium niobate microresonator [J].Optics Express,2017,25(20):24531⁃24539.[5]NIKOGOSYAN D N.Nonlinear optical crystals:acomplete survey [M ].New York:Springer⁃Science,2005:5⁃74.[6]POBERAJ G,HU H,SOHLER W,et al.Lithium niobate on insulator (LNOI)for micro⁃photonic devices[J].Laser &Photonics Reviews,2012,6(4):488⁃503.[7]HAN H,CAI L,HU H.Optical and structural propertiesof single⁃crystal lithium niobate thin film [J ].Optical175北　京　工　业　大　学　学　报2021年Materials,2015,42:47⁃51.[8]WANG C,ZHANG M,CHEN X,et al.Integrated lithium niobate electro⁃optic modulators operating at CMOS⁃compatible voltages[J].Nature,2018,562(7725): 101⁃104.[9]WANG C,XIONG X,ANDRADE N,VENKATARAMAN V,et al.Second harmonic generation in nano⁃structured thin⁃film lithium niobate waveguides[J].Optics Express, 2017,25(6):6963⁃6973.[10]JIAN J,XU M,LIU L,et al.High modulation efficiencylithium niobate Michelson interferometer modulator[J].Optics Express,2019,27(13):18731⁃18739. [11]ZHANG M,WANG C,CHEN X,et al.Ultra⁃highbandwidth integrated lithium niobate modulators withrecord⁃low Vπ[C]∥Optical Fiber CommunicationConference.Piscataway:IEEE,2018:1⁃3. [12]ZHANG X,MIYOSHI T.Optimum design of coplanarwaveguide for LiNbO3optical modulator[J].IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,1995,43(3):523⁃528.[13]崔海娟,陈福深.LiNbO3电光调制器行波电极优化设计[J].电子科技大学学报,2003,32(3):309⁃312.CUI H J,CHEN F S.Optimum design of traveling waveelectrode for LiNbO3electro⁃optic modulator[J].Journalof University of Electronic Science and Technology,2003,32(3):309⁃312.(in Chinese) [14]KRASNOKUTSKA I,TAMBASCO J J,LI X,et al.Ultra⁃low loss photonic circuits in lithium niobate oninsulator[J].Optics Express,2018,26(2):897⁃904.[15]HE M B,XU M Y,REN Y X,et al.High⁃performancehybrid silicon and lithium niobate Mach⁃Zehndermodulators for100Gbit㊃s-1and beyond[J].NatPhotonics,2019,13:359⁃364.[16]李金洋,逯丹凤,祁志美.铌酸锂波导电光重叠积分因子的波长依赖特性分析[J].物理学报,2014,63(7):077801⁃1⁃077801⁃7.LI J Y,YAN D F,QI Z M.Wavelength⁃dependentanalysis of the overlap integral factor of lithium niobatewave conduction light[J].Acta Phys Sinica,2014,63(7):077801⁃1⁃077801⁃7.(in Chinese) [17]CHUNG H,CHANG W S C,ADLER E L.Modeling andoptimization of traveling wave LiNbO3interferometricmodulators[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1991,27(3):608⁃617.[18]POZAR D M.Microwave engineering[M].New York:John Wiley&Sons,2009:60⁃106.[19]WANG C,ZHANG M,STERN B,et al.Nanophotoniclithium niobate electro⁃optic modulators[J].OpticsExpress,2018,26(2):1547⁃1555.[20]REN T H,ZHANG M,WANG C,et al.An integratedlow⁃voltage broadband lithium niobate phase modulator[J].IEEE Photonics Technology Letters,2019,31(11):889⁃892.(责任编辑　杨开英)275。