基于二維光子晶體的全光邏輯門研究.pdf

1、全光網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)的電子技術(shù)有著無法比擬的巨大優(yōu)勢，全光邏輯門作為超快信息處理和全光計算系統(tǒng)最重要的組成部分之一，近來備受關(guān)注。目前，已經(jīng)報道了很多基于不同方案實現(xiàn)的全光邏輯門，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實現(xiàn)的邏輯門體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較高。基于SOA實現(xiàn)的邏輯門則容易受到自發(fā)輻射的噪聲影響。隨著對光子晶體的深入研究和制作工藝的進步，

2、基于光子晶體制備各種光子器件已經(jīng)不僅僅是一個夢想，利用光子晶體的特性實現(xiàn)的各種全光邏輯門也就應(yīng)運而生。光子晶體全光邏輯門的實現(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復(fù)雜和功耗相對較高的問題。在光子晶體中制作波導(dǎo)，利用光的線性干涉效應(yīng)實現(xiàn)的邏輯門是一種結(jié)構(gòu)簡單、功耗可以降到很低的實現(xiàn)方案，但由于入射信號光束在匯聚點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光

3、束的相位差來控制發(fā)生相消干涉或相長干涉的程度，致使實現(xiàn)高對比度、多種邏輯功能的邏輯門就非常困難。
　　本文利用線性干涉效應(yīng)基于二維光子晶體實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的與（AND）、異或（XOR）和非（NOT）門的邏輯功能，提出的裝置具有對比度高、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的優(yōu)點。本文主要研究內(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)計出性能優(yōu)異的全光邏輯門結(jié)構(gòu)，采用平面波展開（PWE）法對光子晶體的帶隙特點和色

4、散關(guān)系進行了分析研究。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)，通過適當(dāng)改變Y形波導(dǎo)中入射波導(dǎo)的長度來達到改變?nèi)肷涔庠趨R聚點處相位差的目的，設(shè)計出了AND、XOR和NOT邏輯門的結(jié)構(gòu)方案。
　　2.為了盡可能的減小全光邏輯門的能量損耗，本文中的實現(xiàn)方案并沒有選用非線性材料，而是利用光波的線性干涉效應(yīng)設(shè)計出了邏輯門的結(jié)構(gòu)方案。文中分析了邏輯門的工作原理，并通過大量的實驗嘗試以獲得更好的干涉效果，實現(xiàn)高對比度的

5、全光邏輯門。
　　3.利用時域有限差分（FDTD）法對設(shè)計出的邏輯門進行模擬仿真和數(shù)值分析，計算出了光波在器件中的透射率和邏輯門的對比度，并且定義了高低電平的閾值。模擬光波在器件中的傳播進程，得到了邏輯門工作過程中的場分布圖，進而證明了所提出邏輯門的邏輯功能。
　　4.對實現(xiàn)的全光邏輯AND、XOR和NOT門的性能進行優(yōu)化。在出射波導(dǎo)的頭部引入兩個散射介質(zhì)柱，并計算和分析了散射柱尺寸對邏輯門性能的影響。通過對介質(zhì)柱尺寸的合理