基于二維光子晶體的全光邏輯門(mén)研究.pdf

1、全光網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)的電子技術(shù)有著無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，全光邏輯門(mén)作為超快信息處理和全光計(jì)算系統(tǒng)最重要的組成部分之一，近來(lái)備受關(guān)注。目前，已經(jīng)報(bào)道了很多基于不同方案實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門(mén)，如采用介質(zhì)（或金屬）波導(dǎo)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)和非線性光纖(NLF)等。然而，這些方案常常存在各自的局限性，比如基于NLF實(shí)現(xiàn)的邏輯門(mén)體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較高?；赟OA實(shí)現(xiàn)的邏輯門(mén)則容易受到自發(fā)輻射的噪聲影響。隨著對(duì)光子晶體的深入研究和制作工藝的進(jìn)步，

2、基于光子晶體制備各種光子器件已經(jīng)不僅僅是一個(gè)夢(mèng)想，利用光子晶體的特性實(shí)現(xiàn)的各種全光邏輯門(mén)也就應(yīng)運(yùn)而生。光子晶體全光邏輯門(mén)的實(shí)現(xiàn)主要利用到了光子晶體的多模干涉效應(yīng)、三階非線性效應(yīng)、自準(zhǔn)直效應(yīng)以及腔的諧振特性，而這些方案大多面臨裝置方案相對(duì)復(fù)雜和功耗相對(duì)較高的問(wèn)題。在光子晶體中制作波導(dǎo)，利用光的線性干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的邏輯門(mén)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗可以降到很低的實(shí)現(xiàn)方案，但由于入射信號(hào)光束在匯聚點(diǎn)處的相位差不能連續(xù)的改變，因此很難精確的控制入射信號(hào)光

3、束的相位差來(lái)控制發(fā)生相消干涉或相長(zhǎng)干涉的程度，致使實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度、多種邏輯功能的邏輯門(mén)就非常困難。
　　本文利用線性干涉效應(yīng)基于二維光子晶體實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的與（AND）、異或（XOR）和非（NOT）門(mén)的邏輯功能，提出的裝置具有對(duì)比度高、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。本文主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：
　　1.利用光波的線性干涉效應(yīng)基于二維光子晶體波導(dǎo)設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的全光邏輯門(mén)結(jié)構(gòu)，采用平面波展開(kāi)（PWE）法對(duì)光子晶體的帶隙特點(diǎn)和色

4、散關(guān)系進(jìn)行了分析研究。采用二維三角晶格介質(zhì)柱光子晶體，材料為介質(zhì)硅柱內(nèi)嵌在二氧化硅板內(nèi)，通過(guò)適當(dāng)改變Y形波導(dǎo)中入射波導(dǎo)的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到改變?nèi)肷涔庠趨R聚點(diǎn)處相位差的目的，設(shè)計(jì)出了AND、XOR和NOT邏輯門(mén)的結(jié)構(gòu)方案。
　　2.為了盡可能的減小全光邏輯門(mén)的能量損耗，本文中的實(shí)現(xiàn)方案并沒(méi)有選用非線性材料，而是利用光波的線性干涉效應(yīng)設(shè)計(jì)出了邏輯門(mén)的結(jié)構(gòu)方案。文中分析了邏輯門(mén)的工作原理，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)嘗試以獲得更好的干涉效果，實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的

5、全光邏輯門(mén)。
　　3.利用時(shí)域有限差分（FDTD）法對(duì)設(shè)計(jì)出的邏輯門(mén)進(jìn)行模擬仿真和數(shù)值分析，計(jì)算出了光波在器件中的透射率和邏輯門(mén)的對(duì)比度，并且定義了高低電平的閾值。模擬光波在器件中的傳播進(jìn)程，得到了邏輯門(mén)工作過(guò)程中的場(chǎng)分布圖，進(jìn)而證明了所提出邏輯門(mén)的邏輯功能。
　　4.對(duì)實(shí)現(xiàn)的全光邏輯AND、XOR和NOT門(mén)的性能進(jìn)行優(yōu)化。在出射波導(dǎo)的頭部引入兩個(gè)散射介質(zhì)柱，并計(jì)算和分析了散射柱尺寸對(duì)邏輯門(mén)性能的影響。通過(guò)對(duì)介質(zhì)柱尺寸的合理