超快SOI微波导全光逻辑门的研究
发布时间：2021-10-07 05:59
全光逻辑门是实现未来全光通信的关键器件,是实现高速光分组交换、全光地址识别、数据编码等全光信号处理和光计算的核心器件,受到了广泛的关注及研究。目前提出的非波导类型全光逻辑门尺寸大,不易在片上集成,而基于波导类型的全光逻辑门含有复杂的有源设备,而且实现的逻辑功能单一。本文提出一种超快无源多功能逻辑门（FLOGs）,在一个基本的无源萨格纳克芯片单元上通过改变端口输入输出状态实现与、非、异或逻辑功能。本文主要研究工作概括如下:（1）根据萨格纳克工作原理,分析了能实现与非异或等逻辑功能全光逻辑门方案。（2）研究了基于微波导结构FLOGs实现方案,并设计了FLOGs芯片单元,利用时域有限差分算法（FDTD）分析了芯片单元中各部分器件包括耦合器、分合束器及环结构的传输特性,优化设计了耦合器S型弯曲波导及耦合区耦合长度,并对硅材料制备过程中需注意的问题进行了总结。（3）根据FLOGs基本单元,提出实现多种逻辑功能的结构方案。通过FDTD及光束传输法（BPM）模拟实现了基于FLOGs集成芯片的与、非、异或逻辑功能,分析了耦合器功分比对系统消光比的影响,针对系统反射端出现的能量残留问题,提出解决方案。并...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
系统封装图[20]
超快SOI微波导全光逻辑门的研究640ps，设备的开关能耗为20pJ[36]。2009年，P.Andalib等利用两个光子晶体环形谐振腔及三个平行传输波导中的克尔效应，实现了全光逻辑与操作，传输速率达到了120Gb/s[37]。2009年，B.M.Isfahani等通过级联两个T型光子晶体环形谐振腔，实现了全光逻辑或非操作，并获得了较高的对比度，在‘1’状态时，输入输出的功率比为0.81[38]。2013年，S.Afzal等利用具有克尔效应的硅基二维光子晶体光纤纳米腔，实现了可调谐的全光逻辑或非操作[39]。2018年A.M.Bahabady等利用光子晶体谐振腔中的干涉效应实现了NOT、XOR逻辑操作，具有结构简单、尺寸孝对比度高、功耗低特点，响应时间为0.466ps，消光比分别为20.53dB、19.95dB[40]。光子晶体光纤为设计和制作出满足未来光通信系统的光器件提供可能，但是其制备工艺复杂、工艺难度大。1.2.3基于铌酸锂型逻辑门基于周期极化铌酸锂（PPLN）的逻辑门主要是利用二阶非线性效应，如倍频效应、和频效应以及差频效应。周期极化铌酸锂结构以其高效率、尺寸小被大量研究。2007年JWang等提出一种基于PPLN级联的逻辑门[41]，利用和频与差频效应实现了或、与、异或运算。信号A与信号B发生和频效应，产生波长为SF的和频信号，该信号代表A与B的逻辑与，输入为一个信号A或B时，输出的频率成分SA和SB分别表示AB或AB操作。将波长SA和SB通过带通滤波器在合并到一起，在实验中成功验证了40Gbit/s归零差分相移键控(RZ-DPSK)与20Gbits/s非归零差分相移键控(NRZ-DPSK)信号异或操作。ABttABABtt图1-5基于PPLN波导的全光逻辑门2010年ABogoni等提出利用两路时分复用同步输入640Gbits/s信号A与B实现逻
超快SOI微波导全光逻辑门的研究8会经历非线性作用，两个探测波之间的相位差决定了输出结果，此方案可以获得异或操作，探测光与信号光的功率分别为31.2mW、1W。sAcsBXORc2SiOSi图1-6对称SOI-MZI结构示意图以及条形SOI波导横截面以上对目前提出的实现全光逻辑门方案进行了总结，利用非线性材料或者干涉仪结构是实现全光逻辑门的主要方案，各种方案有自己的优缺点。基于SOA型的逻辑门，工作波长范围宽、功耗低、易集成，由于载流子复合时间长，限制了其传输速率。此外，半导体光放大器在其工作时易产生自发辐射，影响了逻辑门性能。基于QD-SOA的逻辑门易产生码型效应。基于光纤结构的逻辑门传输速率高、稳定性好、效率高。但是其非线性系数较低，因此需要较高的开关功率及比较长的光纤，所以不利于集成。基于光子晶体的逻辑门有尺寸孝较高的非线性、功耗低等优点，但其制备工艺复杂、工艺难度大。基于PPLN的逻辑门具有转换效率高、无噪声等特点，然而易受环境温度的影响，此外铌酸锂的极化工艺也较为复杂。1.3本论文的主要工作及安排基于SOI结构的全光器件具有低成本、高兼容性等优点，本文提出一种基于SOI无源微波导萨格纳克的全光逻辑门方案，利用其平衡结构抵消了载流子效应、SPM效应导致的非线性相移，而且不会引入额外的声学、热学噪声。采用两种偏振光作为输入信号，在进行运算时不需要波长转换，利用其波导结构的非线性效应，使得整体结构尺寸更利于集成化。提出了与、非、异或逻辑操作及级联的设计方案，采用FDTDsolutions模拟了光场传输特性，最后分析了耦合器功分比对系统透射率的影响，分析了控制信号脉冲宽度对逻辑非门带来的影响。本文章节安排如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于QD-SOA的全光逻辑或非门研究[J]. 张国,王海龙,李雯,崔乐乐. 电子技术. 2016(04)
[2]S形矩形波导的弯曲损耗计算[J]. 李军,鲁怀伟,张晖霞. 兰州交通大学学报. 2014(03)
博士论文
[1]硅基纳米光波导谐振腔非线性光学特性及调控[D]. 仝晓刚.中北大学 2016
本文编号：3421486
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
系统封装图[20]
超快SOI微波导全光逻辑门的研究640ps，设备的开关能耗为20pJ[36]。2009年，P.Andalib等利用两个光子晶体环形谐振腔及三个平行传输波导中的克尔效应，实现了全光逻辑与操作，传输速率达到了120Gb/s[37]。2009年，B.M.Isfahani等通过级联两个T型光子晶体环形谐振腔，实现了全光逻辑或非操作，并获得了较高的对比度，在‘1’状态时，输入输出的功率比为0.81[38]。2013年，S.Afzal等利用具有克尔效应的硅基二维光子晶体光纤纳米腔，实现了可调谐的全光逻辑或非操作[39]。2018年A.M.Bahabady等利用光子晶体谐振腔中的干涉效应实现了NOT、XOR逻辑操作，具有结构简单、尺寸孝对比度高、功耗低特点，响应时间为0.466ps，消光比分别为20.53dB、19.95dB[40]。光子晶体光纤为设计和制作出满足未来光通信系统的光器件提供可能，但是其制备工艺复杂、工艺难度大。1.2.3基于铌酸锂型逻辑门基于周期极化铌酸锂（PPLN）的逻辑门主要是利用二阶非线性效应，如倍频效应、和频效应以及差频效应。周期极化铌酸锂结构以其高效率、尺寸小被大量研究。2007年JWang等提出一种基于PPLN级联的逻辑门[41]，利用和频与差频效应实现了或、与、异或运算。信号A与信号B发生和频效应，产生波长为SF的和频信号，该信号代表A与B的逻辑与，输入为一个信号A或B时，输出的频率成分SA和SB分别表示AB或AB操作。将波长SA和SB通过带通滤波器在合并到一起，在实验中成功验证了40Gbit/s归零差分相移键控(RZ-DPSK)与20Gbits/s非归零差分相移键控(NRZ-DPSK)信号异或操作。ABttABABtt图1-5基于PPLN波导的全光逻辑门2010年ABogoni等提出利用两路时分复用同步输入640Gbits/s信号A与B实现逻
超快SOI微波导全光逻辑门的研究8会经历非线性作用，两个探测波之间的相位差决定了输出结果，此方案可以获得异或操作，探测光与信号光的功率分别为31.2mW、1W。sAcsBXORc2SiOSi图1-6对称SOI-MZI结构示意图以及条形SOI波导横截面以上对目前提出的实现全光逻辑门方案进行了总结，利用非线性材料或者干涉仪结构是实现全光逻辑门的主要方案，各种方案有自己的优缺点。基于SOA型的逻辑门，工作波长范围宽、功耗低、易集成，由于载流子复合时间长，限制了其传输速率。此外，半导体光放大器在其工作时易产生自发辐射，影响了逻辑门性能。基于QD-SOA的逻辑门易产生码型效应。基于光纤结构的逻辑门传输速率高、稳定性好、效率高。但是其非线性系数较低，因此需要较高的开关功率及比较长的光纤，所以不利于集成。基于光子晶体的逻辑门有尺寸孝较高的非线性、功耗低等优点，但其制备工艺复杂、工艺难度大。基于PPLN的逻辑门具有转换效率高、无噪声等特点，然而易受环境温度的影响，此外铌酸锂的极化工艺也较为复杂。1.3本论文的主要工作及安排基于SOI结构的全光器件具有低成本、高兼容性等优点，本文提出一种基于SOI无源微波导萨格纳克的全光逻辑门方案，利用其平衡结构抵消了载流子效应、SPM效应导致的非线性相移，而且不会引入额外的声学、热学噪声。采用两种偏振光作为输入信号，在进行运算时不需要波长转换，利用其波导结构的非线性效应，使得整体结构尺寸更利于集成化。提出了与、非、异或逻辑操作及级联的设计方案，采用FDTDsolutions模拟了光场传输特性，最后分析了耦合器功分比对系统透射率的影响，分析了控制信号脉冲宽度对逻辑非门带来的影响。本文章节安排如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于QD-SOA的全光逻辑或非门研究[J]. 张国,王海龙,李雯,崔乐乐. 电子技术. 2016(04)
[2]S形矩形波导的弯曲损耗计算[J]. 李军,鲁怀伟,张晖霞. 兰州交通大学学报. 2014(03)
博士论文
[1]硅基纳米光波导谐振腔非线性光学特性及调控[D]. 仝晓刚.中北大学 2016
本文编号：3421486
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