高速硅基光邏輯門的研究.pdf

1、隨著人類對信息量的需求呈爆炸式增長，為了避免電子瓶頸，構建全光通信網絡迫在眉睫。而光邏輯門作為其中的關鍵器件，在全光網絡中有著極其重要的作用。不過目前已經出現的光邏輯門器件都或多或少存在著缺陷，比如:基于SOA(semiconductor optical amplifier)或者非線性光纖的光邏輯門都存在功率過高，響應時間長或者集成度低等缺點。未來光纖通信的發(fā)展方向是高速率、高帶寬、低能耗、小型化，光邏輯門作為光通信系統中不可或缺的組成

2、部分，也必須滿足高消光比、高調制器速率、寬調制帶寬、低插入損耗、低能量損耗、小尺寸、易于集成等苛刻要求。本文的研究工作主要圍繞高速的硅基光邏輯門器件開展。
　　本文首先基于介質平板波導理論、熱光效應及調制器的工作原理等理論設計出了一種硅基襯底上的聚合物熱光或非(NOR)邏輯門。模擬結果顯示，利用聚合物較大的熱光系數及優(yōu)化的結構參數設計，熱光邏輯門的功耗為6 mW，器件的全部尺寸約為300 mm2。然后利用旋轉涂覆、真空鍍膜、接觸曝

3、光、反應離子刻蝕(RIE)、切割拋光等工藝，在實驗上成功制備出了聚合物熱光邏輯門芯片。測試結果表明，測得其功耗為28.2 mW，插損為20.8 dB，上升響應和下降響應時間分別為400μs和550μs。從響應特性來看，測試結果初步驗證了設計思想。
　　為了進一步改善器件的功耗、尺寸和響應速度等特性，本文進而提出了一種基于絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)的緊湊型電光NOR邏輯門器件。利用SOI波導對光

4、的強束縛特性，器件的尺寸僅為90μm2。由模擬結果可知，該器件的驅動電壓為1.8V，功耗為6.66 mW，在1550nm的入射光情況下，其耦合調制區(qū)可以實現99％的耦合效率，還能獲得21.8 dB的消光比。同時器件的響應速度極高，可以實現3 ns的上升響應時間與1.5 ns的下降響應時間。分析闡明，這種新型結構的數字型SOI基電光邏輯門同時具備低功耗、高集成度、低插損、高速響應、低驅動電壓等優(yōu)點，完全可以滿足下一代集成計算機復用處理器芯

5、片的要求。
　　為了更進一步的提高邏輯門的響應特性，本文在最后嘗試性的將石墨烯薄膜材料與SOI材料相結合，利用石墨烯的高電致吸收特性，設計出一種基于單一結構的石墨烯雙邏輯門器件。該器件在繼承了SOI低損耗，集成度高等優(yōu)點的同時，還具備石墨烯對TM模式的強電致吸收特性。在1550nm的入射光的情況下，可以達到43.67 dB的消光比。雖然在尺寸方面有所增大，大約在200μm2，但是其消光比、響應特性都得到了明顯提升。模擬結果表明，基