全光邏輯門是實現(xiàn)未來全光通信的關(guān)鍵器件,是實現(xiàn)高速光分組交換、全光地址識別、數(shù)據(jù)編碼等全光信號處理和光計算的核心器件,受到了廣泛的關(guān)注及研究。目前提出的非波導(dǎo)類型全光邏輯門尺寸大,不易在片上集成,而基于波導(dǎo)類型的全光邏輯門含有復(fù)雜的有源設(shè)備,而且實現(xiàn)的邏輯功能單一。本文提出一種超快無源多功能邏輯門（FLOGs）,在一個基本的無源薩格納克芯片單元上通過改變端口輸入輸出狀態(tài)實現(xiàn)與、非、異或邏輯功能。本文主要研究工作概括如下:（1）根據(jù)薩格納克工作原理,分析了能實現(xiàn)與非異或等邏輯功能全光邏輯門方案。（2）研究了基于微波導(dǎo)結(jié)構(gòu)FLOGs實現(xiàn)方案,并設(shè)計了FLOGs芯片單元,利用時域有限差分算法（FDTD）分析了芯片單元中各部分器件包括耦合器、分合束器及環(huán)結(jié)構(gòu)的傳輸特性,優(yōu)化設(shè)計了耦合器S型彎曲波導(dǎo)及耦合區(qū)耦合長度,并對硅材料制備過程中需注意的問題進行了總結(jié)。（3）根據(jù)FLOGs基本單元,提出實現(xiàn)多種邏輯功能的結(jié)構(gòu)方案。通過FDTD及光束傳輸法（BPM）模擬實現(xiàn)了基于FLOGs集成芯片的與、非、異或邏輯功能,分析了耦合器功分比對系統(tǒng)消光比的影響,針對系統(tǒng)反射端出現(xiàn)的能量殘留問題,提出解決方案。并... 

【文章來源】：深圳大學(xué)廣東省

【文章頁數(shù)】：91 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

系統(tǒng)封裝圖[20]

超快SOI微波導(dǎo)全光邏輯門的研究640ps，設(shè)備的開關(guān)能耗為20pJ[36]。2009年，P.Andalib等利用兩個光子晶體環(huán)形諧振腔及三個平行傳輸波導(dǎo)中的克爾效應(yīng)，實現(xiàn)了全光邏輯與操作，傳輸速率達到了120Gb/s[37]。2009年，B.M.Isfahani等通過級聯(lián)兩個T型光子晶體環(huán)形諧振腔，實現(xiàn)了全光邏輯或非操作，并獲得了較高的對比度，在‘1’狀態(tài)時，輸入輸出的功率比為0.81[38]。2013年，S.Afzal等利用具有克爾效應(yīng)的硅基二維光子晶體光纖納米腔，實現(xiàn)了可調(diào)諧的全光邏輯或非操作[39]。2018年A.M.Bahabady等利用光子晶體諧振腔中的干涉效應(yīng)實現(xiàn)了NOT、XOR邏輯操作，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸孝對比度高、功耗低特點，響應(yīng)時間為0.466ps，消光比分別為20.53dB、19.95dB[40]。光子晶體光纖為設(shè)計和制作出滿足未來光通信系統(tǒng)的光器件提供可能，但是其制備工藝復(fù)雜、工藝難度大。1.2.3基于鈮酸鋰型邏輯門基于周期極化鈮酸鋰（PPLN）的邏輯門主要是利用二階非線性效應(yīng)，如倍頻效應(yīng)、和頻效應(yīng)以及差頻效應(yīng)。周期極化鈮酸鋰結(jié)構(gòu)以其高效率、尺寸小被大量研究。2007年JWang等提出一種基于PPLN級聯(lián)的邏輯門[41]，利用和頻與差頻效應(yīng)實現(xiàn)了或、與、異或運算。信號A與信號B發(fā)生和頻效應(yīng)，產(chǎn)生波長為SF的和頻信號，該信號代表A與B的邏輯與，輸入為一個信號A或B時，輸出的頻率成分SA和SB分別表示AB或AB操作。將波長SA和SB通過帶通濾波器在合并到一起，在實驗中成功驗證了40Gbit/s歸零差分相移鍵控(RZ-DPSK)與20Gbits/s非歸零差分相移鍵控(NRZ-DPSK)信號異或操作。ABttABABtt圖1-5基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯門2010年ABogoni等提出利用兩路時分復(fù)用同步輸入640Gbits/s信號A與B實現(xiàn)邏

超快SOI微波導(dǎo)全光邏輯門的研究8會經(jīng)歷非線性作用，兩個探測波之間的相位差決定了輸出結(jié)果，此方案可以獲得異或操作，探測光與信號光的功率分別為31.2mW、1W。sAcsBXORc2SiOSi圖1-6對稱SOI-MZI結(jié)構(gòu)示意圖以及條形SOI波導(dǎo)橫截面以上對目前提出的實現(xiàn)全光邏輯門方案進行了總結(jié)，利用非線性材料或者干涉儀結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)全光邏輯門的主要方案，各種方案有自己的優(yōu)缺點�；赟OA型的邏輯門，工作波長范圍寬、功耗低、易集成，由于載流子復(fù)合時間長，限制了其傳輸速率。此外，半導(dǎo)體光放大器在其工作時易產(chǎn)生自發(fā)輻射，影響了邏輯門性能�；赒D-SOA的邏輯門易產(chǎn)生碼型效應(yīng)�；诠饫w結(jié)構(gòu)的邏輯門傳輸速率高、穩(wěn)定性好、效率高。但是其非線性系數(shù)較低，因此需要較高的開關(guān)功率及比較長的光纖，所以不利于集成�；诠庾泳w的邏輯門有尺寸孝較高的非線性、功耗低等優(yōu)點，但其制備工藝復(fù)雜、工藝難度大。基于PPLN的邏輯門具有轉(zhuǎn)換效率高、無噪聲等特點，然而易受環(huán)境溫度的影響，此外鈮酸鋰的極化工藝也較為復(fù)雜。1.3本論文的主要工作及安排基于SOI結(jié)構(gòu)的全光器件具有低成本、高兼容性等優(yōu)點，本文提出一種基于SOI無源微波導(dǎo)薩格納克的全光邏輯門方案，利用其平衡結(jié)構(gòu)抵消了載流子效應(yīng)、SPM效應(yīng)導(dǎo)致的非線性相移，而且不會引入額外的聲學(xué)、熱學(xué)噪聲。采用兩種偏振光作為輸入信號，在進行運算時不需要波長轉(zhuǎn)換，利用其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，使得整體結(jié)構(gòu)尺寸更利于集成化。提出了與、非、異或邏輯操作及級聯(lián)的設(shè)計方案，采用FDTDsolutions模擬了光場傳輸特性，最后分析了耦合器功分比對系統(tǒng)透射率的影響，分析了控制信號脈沖寬度對邏輯非門帶來的影響。本文章節(jié)安排如下：

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于QD-SOA的全光邏輯或非門研究[J]. 張國,王海龍,李雯,崔樂樂.  電子技術(shù). 2016(04)
[2]S形矩形波導(dǎo)的彎曲損耗計算[J]. 李軍,魯懷偉,張暉霞.  蘭州交通大學(xué)學(xué)報. 2014(03)

博士論文
[1]硅基納米光波導(dǎo)諧振腔非線性光學(xué)特性及調(diào)控[D]. 仝曉剛.中北大學(xué) 2016



本文編號：3421486