二维光子晶体全光异或门的设计及研究
异或门的低功耗设计
异或门的低功耗设计
张爱华
【期刊名称】《网友世界·云教育》
【年(卷),期】2012(000)018
【摘要】在分析了现有典型的异或门电路的基础上，提出了基于传输管逻辑的低功耗异或门的设计.本文电路实现了内部节点信号的全摆幅，使之具有较强的驱动能力，且避免了后级反相器中亚阈功耗的产生，实现了电路的低功耗.在3.3v和1.8v电源下，经PSPICE在0.24um工艺下模拟，与已发表的异或门电路相比，新提出的电路功耗和功耗延迟积的改进分别高达36.5%和68.0%，说明本文设计的异或门电路在功耗和延迟方面具有优势.
【总页数】2页(P24-24,25)
【作者】张爱华
【作者单位】临沂职业学院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.异或门低功耗优化展开方法 [J], 骆祖莹;李晓维;杨士元
2.基于异或门自选通的低功耗时钟树综合方案 [J], 黄雪晴;于忠臣
3.低功耗异或门的设计 [J], 张爱华;夏银水
4.二维光子晶体全光异或门的设计及研究 [J], 张晓金;梁龙学;吴小所;韩根亮
5.高性能异或门电路的设计 [J], 董艳燕;韦一;陈君
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光致异构全光逻辑门理论与实验研究
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棒状分子的空间取向示意图 （ "） 线偏振抽运光作用， （ #） 圆偏振 ! 为光场电矢量；
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［)—’］ 有很大潜力， 因而受到人们的广泛关注 * 目前文 ［&—#$］ 献报道有基于细菌视紫红质的全光逻辑门 ， 还
制占主要地位 * 该机理首先把 KF7C: 态分子作棒状 假设， 并且假定在计算折射 J8: 态分子作球状假设；
［#"］ 率改变时， 只计算 KF7C: 态分子的方位角密度 *根
据材料的对称性， 棒状分子在实验室坐标系中的空 间取向如图 # 所示 * 对于信号光为线偏振光， 抽运光分别为线偏振 光和 圆 偏 振 光， 光致异构的速率方程可以分别
［!D］ 化很小， 而吸收截面 !)* 与 !1* 则有很大的变化 4
异构的有效吸收截面为!)* +,-$"./$ 4 选择处于样品强吸收区的绿光 （9:$ -;） 为抽运 光， 处于样品弱吸收区的红光 （ 8:: -;） 作为信号光 （样品的吸收谱由日本岛津公司 <=7:!2!>1 型紫外7 可见7红外分光光度计测得， 结果如图 $ 所示） 4 从吸 收谱可以看出信号光吸收几乎为零， 而且在我们所 讨论的情 况 中 $ * ! $ + ， 因此信号光所引起的光致 （ !"） ， （ !#） 式可以简 )6"-+71,+ 异构可以忽略 不 计， 化为
基于Pi相移干涉结构的全光异或门研究
基于Pi相移干涉结构的全光异或门研究摘要本文通过对异或逻辑与直接干涉之间关系的学习，基于SOA-MZI、TOAD、NOLM结构全光异或门工作原理分析与总结，归纳三种结构全光异或门通过被调制探测光干涉实现全光异或操作的两种基于22耦合器的“Pi相移干涉”结构。
关键词全光；Pi相移干涉结构；异或逻辑1 引言随着网络带宽需求增长，单信道传输速率已经逼近电子速率极限，全光信号处理技术因具有超高速率潜质，可以使得网络单信道传输速率大大增加[1]。
目前，针对开关调制（on-off keying）信号的全光异或逻辑门主要有：基于半导体光放大器（SOA）交叉增益调制（XGM）效应全光异或门、基于SOA马赫曾德尔干涉（MZI）结构全光异或门、基于太赫兹光解复用器（TOAD）全光异或门、基于超快非线性干涉（UNI）全光异或门、基于非线性光线环境（NOLM）全光异或门。
目前对这三种基于XPM效应全光异或门的研究存在以下两个问题：第一，研究范围通常仅就其中一种，没有将这三种异或门联系起进行系统研究；第二，文献中对这三种异或门原理介绍重点通常在SOA或HNLF的XPM效应上，增加原理理解难度，也没有抓住通过干涉实现全光异或逻辑的关键。
2 基于Pi相移干涉结构全光异或门结构2.1 异或操作与干涉的关系异或操作的特点是，码字相同的两信号异或结果为“0”码，码字不同的两信号异或结果为“1”码。
而当两信号为强度调制信号时，就可以将异或操作理解为，当两信号对应时刻的光强相同时，此时刻的异或输出光强为0；当两信号对应时刻的光强不同时，此时刻异或输出光强不为0，并且随着两信号光强差增大，异或输出光强也增大。
当两输入光同为“1”或“0”时，会发生相长干涉，干涉输出光强最强，记为“1”码。
当两信号码字不同时，两信号相位差为，干涉输出光强为0，记为“0”码。
因此光干涉具有与异或逻辑相反的特点，那就输入相同，输出为“1”；输入不同，输出为“0”。
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
二维扩瞳几何光波导技术
二维扩瞳几何光波导技术
二维扩瞳几何光波导技术是一种利用扩瞳几何原理，采用二维微纳结构的光波导技术。
这种技术可以将光的传输损耗和色散减小至极限，从而实现高效率、高速率、低损耗的光通信和光电子器件。
通过优化二维微纳结构的设计和制备工艺，可以实现更高的传输效率和更低的损耗。
同时，这种技术还可以应用于光子晶体、微纳激光器、光电传感等领域，具有广泛的应用前景。
二维扩瞳几何光波导技术已经成为光通信领域的研究热点之一，吸引了众多研究机构和企业的关注。
未来，随着相关技术的不断发展和突破，这种技术有望成为光通信、光电子和信息技术领域的重要支撑。
一种全光逻辑门及其调控方法-概述说明以及解释
一种全光逻辑门及其调控方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述逻辑门作为数字电路的基本构建单元，用于实现逻辑运算和控制信号的处理。
传统的逻辑门通常是由电子元件构成，但随着信息技术的快速发展，对高速和高效的数据处理需求越来越迫切。
在这种背景下，全光逻辑门应运而生。
全光逻辑门是一种基于光信号处理的逻辑门，利用光的特性实现信息的传输和处理。
与传统电子逻辑门相比，全光逻辑门具有速度更快、功耗更低、容量更大等优势。
因此，全光逻辑门被广泛应用于光通信、光计算、光存储等领域，并展现出巨大的发展潜力。
本文将首先介绍全光逻辑门的背景和原理，包括光学非线性效应、非线性光学材料以及全光逻辑门的工作原理。
其次，详细探讨全光逻辑门的设计和实现方法，包括波长转换器、光开关和光放大器等关键器件的设计和优化。
然后，对全光逻辑门的性能和应用进行全面分析，包括传输速率、信号稳定性以及应用场景等方面。
最后，总结全光逻辑门的优势，并对其局限性进行深入讨论。
同时，还提出了一种全光逻辑门的调控方法，以解决某些实际应用中的限制因素。
通过本文的研究，我们可以更好地理解全光逻辑门的原理和应用，并为其进一步发展和应用提供参考。
全光逻辑门的出现为信息技术的发展带来了新的机遇和挑战，相信在不久的将来，全光逻辑门将在各个领域发挥重要作用，推动信息技术的飞速发展。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要分为以下几个部分来介绍一种全光逻辑门及其调控方法。
首先，在引言部分，将对全光逻辑门的概述进行介绍，并说明本文的目的。
接着，在正文部分，将详细探讨全光逻辑门的背景和原理，包括其基本原理和相关技术的发展情况。
随后，将介绍全光逻辑门的设计和实现方法，包括光学元件的选择和排列方式。
此外，还将对全光逻辑门的性能进行评估，并探讨其在不同领域的应用潜力。
在结论部分，将总结全光逻辑门的优势，包括其高速、低功耗和可扩展性等方面的优点。
同时，也会讨论全光逻辑门的局限性，如其对输入光信号特性的要求较高等问题。
基于SOA—MZI差分相位法的全光异或逻辑门研究
收 稿 日期 ： ０ １ ６—３ ２ １ —０ ０ 作 者 简 介 ：呙道 静 （ ９６一 ） 男 （ 族 ） 湖 北 襄 阳人 ， １７ ， 汉 ， 工程 师 ， 科 ， 究 方 向 ： 本 研 电力 系统 自动 化 。
成都 电子机械 高等专科学校学报 ｈｔ：／ ａｅ．ｅ．ｄ ． ｎ ｔ ／ ｐｐｒｃｃｅ ｕ ｃ／ ｐ
光 异或 逻辑 运 算 。运算 结 果表 明 ： 出脉 冲信 号 的宽度 主 要是 由延迟 时间 ｔ 定的 。采 用差 分相 输 决
位 法 ， 以减 弱输 出脉 冲 的码 型效应 ， 可 避免 出现 “ 尾 ” 象。 拖 现
关键 词 ： 半导体光放大器 ； 马赫一 曾德 尔干涉仪 ； 差分相位法； 异或
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此 时会 产 生一 个波 长 为 Ａ 的脉 冲 ， 即输 出异或结 果 为 “ ” 当 Ａ和 信 号 相 同 （ １。 Ａ＝Ｂ＝０或 Ａ＝Ｂ＝１ 时 ， ）
和 相位相同， 开关窗 口处于关 闭状态 ， 此时输出异或结果为“ ” ０。
２ 数 值 模 拟 及 分 析
在 模 拟计 算 时 ， 本文 选 取 输 人 的 ２路 信 号 光 、 的速 率 均 为 ２ ｂｔｓ脉 冲宽度 （ ＷＨ 为 １２ ｓ Ｂ ０Ｇ ｉ ， ／ Ｆ Ｍ） ． ５ｐ 的 １阶高 斯 脉 冲模 拟 信 号 。探测 光 波 长 Ａ ＝１５０ｎ 信 号 光 Ａ 的波 长 Ａ ＝１５０ａ 信 号 光 Ｂ的 波 长 ５ ｍ， ， ７ ｍ，
光子晶体光纤简介及原理
光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
中文关键字：光子晶体光纤PCF导光机理PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。
光子晶体
Opal
Sea mouse
什么是光子晶体
在半导体材料中由于周期势场的 的作用，电子会形成能带结构，带和 带之间（如价带和导带）有能隙，电 子波的能量如果落在带隙中，传播是 被禁止的。 光子的情况与此类似。如果将具 有不同介电常数的介质材料在空间按 一定的周期排列，由于存在周期性， 在其中传播的光波的色散曲线将成带 状结构，带和带之间可能会出现类似 的半导体带隙的“光子带隙”，频率 落在带隙中的光是被禁止传播的（图 1），我们将由于存在光子带隙而对频 率有选择性的周期性介质结构称为光 子晶体。
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c
2
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体的量子理论 光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
应用
光子晶体光纤 高效率发光二极管 微波天线 在电子计算机技术中的运用 手机辐射保护 低阈值激光发射器 光子晶体波导 光子晶体滤波器 光子晶体谐振腔 高性能反射镜
光子晶体
2013.11.21
目录
1 3 2
光子晶体的简介 光子晶体的量子理论
3 4
光子晶体的应用
光子晶体的未来与展望
光子晶体
光子晶体(Photonic Crystal)是一种在微 米、亚微米等光波长的量级上折射率呈 现周期性变化的介质材料
光子晶体
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月 翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几 年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。 要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信 号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元 件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分 惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。
基于二维六方氮化硼材料的光子晶体非对称传输异质结构设计
基于二维六方氮化硼材料的光子晶体非对称传输异质结构设计*武敏1)2) 费宏明1)2)† 林瀚3) 赵晓丹1)2) 杨毅彪1)2)‡ 陈智辉1)2)1) (太原理工大学物理与光电工程学院, 太原 030024)2) (太原理工大学, 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024)3) (斯威本科技大学, 埃米材料转化科学中心, 维多利亚 3122)(2020 年5 月18日收到; 2020 年7 月12日收到修改稿)二维六方氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN)材料在产生光学稳定的超亮量子单光子光源领域有着潜在应用, 有望用于量子计算和信息处理平台, 已成为研究热点. 而光学非对称传输设备是集成量子计算芯片中的关键器件之一. 本文从理论上提出了一种基于hBN材料光子晶体异质结构的纳米光子学非对称光传输器件. 运用平面波展开法研究了光子晶体的能带结构与等频特性, 从理论上分析了hBN异质结构中可见光波非对称传输的可行性. 同时, 采用时域有限差分方法研究了可见光波段异质结构的晶格常数和半径对透射光谱的影响. 研究结果显示, 该结构实现了在610—684 nm波长范围内TE偏振光的非对称传输, 在652 nm 波长处正向透射率达到0.65, 反向透射率为0.006, 非对称传输透射对比度高达0.98. 本文提出的结构模型为基于hBN的新型纳米光子器件设计提供了新的可能性, 可用于不同功能光学器件的集成设计.关键词：非对称传输, 二维六方氮化硼, 光子晶体, 异质结构PACS：85.60.Bt, 78.67.–n, 41.20.Jb, 42.70.Qs DOI: 10.7498/aps.70.202007411 引 言自从发现石墨烯以来, 二维材料因其在微波到紫外波段宽光谱范围内具有特殊的电学和光学特性而备受关注[1,2]. 其中, 二维六方氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN), 也称为“白色石墨烯”, 拥有许多独特的特性, 包括高的机械强度、良好的导热性、出色的化学和热稳定性[3−7], 可用于固态热中子探测器[8]、保护涂层[9]和介电层[10]等. 同时, hBN 由于带隙较宽, 在紫外区域, 成为了深紫外光发射器、激光器[11,12]和新型纳米光子器件研究中具有前景的材料平台. 此外, 二维hBN具有双曲线声子极化特性, 在制备光学稳定的超亮量子单光子光源[13−16]领域具有潜在的应用, 有望进一步用于量子计算和信息处理的纳米光子学实验平台. 为了与工作在可见光波段的hBN超亮量子单光子光源连接, 本文旨在设计基于hBN材料的光学非对称传输器件, 这项研究对不同功能的纳米光子器件的制备, 以及实现hBN集成光子芯片具有重要意义.与电二极管对于集成电路的重要性一样, 光学非对称传输设备(asymmetric transmission device, ATD)在量子信息处理和可扩展量子纳米光子网络中起着重要的作用[17,18]. 根据光学非对称传输设* 国家自然科学基金(批准号: 61575138)、国家自然科学基金青年科学基金(批准号: 11904255)、山西省重点研发计划(国际科技合作) (批准号: 201903D421052)和山西省应用基础研究计划(青年基金) (批准号: 201901D211070)资助的课题.† 通信作者. E-mail: feihongming@‡ 通信作者. E-mail: yangyibiao_tyut@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 备的工作原理, 可以分为非互易光学非对称传输设备和互易光学非对称传输设备两种类型. 非互易的光学非对称传输设备通过破坏时间反对称性(破坏洛伦兹互易性)来工作, 这需要光学非线性或磁光效应[17,19,20]. 相比之下, 互易的光学非对称传输设备破坏了空间反对称性[21−30], 通过光的衍射进行非对称传输. 互易光学非对称传输设备的优点是不需要外部磁场或强入射光. 此外, 光子晶体(photonic crystal, PhC)[24−26]、波导[27,28]、表面等离子体激元[29]和共振效应[30]等均已实现非对称光传输. 最新的研究表明, 使用周期性结构可以实现零折射率超材料, 改变结构在光传输方向上的对称性, 在数值上和实验上可实现线偏振光的宽带非对称传输, 在短波红外区域带宽高达50 THz[23]. hBN是一种介电材料, 基于此材料的PhC结构可以与其他光子器件进行片上集成, 也是实现光波非对称传输最合适的方案之一.最近, 有实验报道, 独立式二维hBN PhC腔能够实现超过2000的品质因子[16], 并提出基于hBN的PhC腔, 可用于在室温下超亮且可见光稳定的量子单光子光源, 这证实了实验制造在可见光至近红外波段工作的hBN PhC结构的可行性. 为了与hBN本身的量子单光子光源配合连接, 本文将工作波段设置到相同的可见光波段. 此外, 由于二维hBN是一种具有相对较低折射率(<2.4)的介电材料[16], 因此使用任何衬底(例如SiO2)都会影响hBN材料中的光束缚, 并最终降低整个设备的性能. 但是, 与其他类型的二维材料不同, hBN 具有很高的机械强度, 无需衬底即可自主支撑. 因此, 应用独立式hBN结构是一种可行的解决方案,便于光子芯片的集成. 同时, 由于hBN具有各向异性的材料特性, 使得基于hBN材料实现非对称光传输成为一个需要突破的领域.此前李志远课题组[24,31]基于硅材料异质结构带隙失配原理实现了1550 nm光通讯波段光波非对称传输, 证实了理论与实验结果一致, 在国际上都具有引领意义. 本文将这种结构带隙失配原理应用于理论设计hBN材料PhC异质结构, 实现在可见光波段的非对称传输. 主要的新颖之处是通过使用hBN材料能够在可见光波段实现非对称光传输, 同时基于PhC的结构设计有利于实现光子芯片集成. 目前, 已经有文献报道, 通过电子束光刻及离子束刻蚀的方法实验制作hBN的PhC结构[16],相同的实验技术可以用于加工制作本文中设计的结构(具体加工制作流程见补充材料).文中通过分析能带图与等频图, 控制正向入射光波在PhC异质结构中的传输路径; 通过改变PhC的晶格常数和介质柱半径, 提高结构的正向透射率, 优化结构的性能. 同时, 利用hBN PhC的带隙特性, 以及结构界面的全反射特性, 抑制反向入射光波的透射率低于0.04. TE偏振光波(transverse electric wave, TE)在优化后的二维hBN PhC异质结构中, 在610—684 nm的波长范围内实现非对称传输. 在652 nm处正向透射率达到0.65, 反向透射率为0.006, 设备的工作带宽为74 nm(带宽内透射率高于0.5).2 结构与分析本文的设计思想是基于二维hBN材料构建两种具备不同导光特性的PhC结构(PhC 1和PhC 2), 并采用倾斜界面改变光波传输路径, 达到非对称传输的目的. 可见光波在PhC 1中沿水平方向高效传输, 到达异质结界面处光波发生折射,而对于特定频率光波, PhC 2具有与水平方向偏折小角度的准直作用, 使得光可以在PhC 2中传输,直至耦合到出射光波导. 可见光波反向入射到PhC 2中由于禁带效应和异质结构的倾斜界面被禁止传输, 从而实现基于二维hBN材料独立式异质结构的非对称光传输.基于hBN材料的异质结构设计以及hBN的分子结构如图1所示, hBN材料面内的硼原子和氮原子以六边形共价键结合, 在不同的hBN层间通过范德瓦耳斯力结合. 因此, 这里hBN材料是一种各向异性材料, 其在x和y方向折射率n x = n y = 2.04, z方向n z = 1.84[16,32]. 同时, 根据hBN 机械强度高的优势, 本文提出采用薄壁连接PhC 1和PhC 2来实现独立式(桥式)结构设计, 薄壁的厚度t = 50 nm, 远小于设计的工作光波长, 因此对结构性能的影响可以忽略不计. PhC 1和PhC 2组成的异质结构几何尺寸为11 µm × 11 µm (26行26列)(具体尺寸优化见补充材料); 入射光波导宽度为3 µm, 出射光波导宽度为4.5 µm (具体结构优化见补充材料), 图1中左侧PhC 1的晶格常数为a1 = 400 nm, hBN圆柱体半径r1 = 90 nm,右侧PhC 2的晶格常数a2 = 420 nm, 空气柱半径r 2 = 80 nm, 光入射沿异质结构的水平方向(G -X 方向), 由两边波导输入到结构当中.首先采用平面波展开法计算TE 偏振模式下PhC 1和PhC 2的能带图[33,34] (具体的方法说明见补充材料), 结果如图2所示. 图2(b)中阴影部分为禁带区域, 结构采用了定向带隙来阻挡反向入射光. 研究发现, hBN 与空气的折射率差较小, 使得PhC 2的带隙宽度在可见光波段内随晶格常数a 和半径r 变化不大. 从图2(a)中可以看出, 异质结构中PhC 1在归一化频率0.79a /l —0.84a /l (对应476—506 nm)范围内存在水平方向(G -X 方向)的定向带隙. PhC 2在归一化频率0.62a /l —0.65a /l (对应646—677 nm)范围内存在水平方向(G -X 方向)的定向带隙. 因此, 对于正向光波从左侧入射到PhC 1中, 除了476—506 nm 波段的光, 其余可见光均可以到达异质结构的界面处, 进而折射进入PhC 2中. 而对于反向入射的可见光波从结构右侧入射, 会在PhC 2的禁带646—677 nm 波段内, 实现反向抑制, 无法传输到PhC 1中.为了进一步研究TE 偏振光波在异质结构中的传输机制, 对于正向光波在PhC 中的传播路径,需要绘制PhC 1和PhC 2相应的等频率图(equal frequency contours, EFCs). 采用平面波展开方法计算可见光波段对应TE 偏振模式下的PhC 1第二能带相应的等频图和PhC 2第五能带相应的等频图, 如图3所示. 光波在PhC 中的传播方向取决于群速度v g 的方向[34], 群速度v g 是第n 个能带的角频率w n 和波矢量k 的函数:D w n 代表角频率梯度, 是相对于k 的梯度, 能量流取决于频率导数上的波矢. TE 偏振光的传播方向可以用等频图呈现出来(图3(a),(b)), 图中沿箭头所标记的方向即群速度v g 方向[34]. 从图3(a)中可以看出, 归一化频率0.60a /l (即670 nm, 红色虚线)的正向入射光在PhC 1中的传输, 如G-X 方向的黑色箭头指示, 其中第一个黑色箭头代表入射方向,第二个黑色箭头代表群速度v g 的方向(沿等PhC 1PhC 2B NtThin wall图 1 基于二维hBN PhC 异质结构的光波非对称传输示意图, 右图为二维hBN 材料的分子结构图Fig. 1. Schematic diagram of the two-dimensional hBN PhC heterostructure for asymmetric transmission of light. The right picture is the molecular structure of two-dimensional hBN material.Wavevector/(pS -1)F r e q u e n c y /( S -1)(a) W a v e l e n g t h /n mF r e q u e n c y /( S -1)W a v e l e n g t h /n m(b)Wavevector/(pS -1)图 2 (a) PhC 1的能带图; (b) PhC 2的能带图, 阴影部分代表G -X 方向禁止光波传输的频带Fig. 2. (a) The band diagrams of the PhC 1; (b) the band diagrams of the PhC 2. The shaded area represents the frequency band in which light transmission is prohibited at the G -X direction.频线梯度方向), 即光波在PhC 1中的实际传输路径. 接着光波沿水平方向到达界面处, 由于倾斜界面两侧材料的折射率不同, 会发生折射, 折射光进入PhC 2中, 图3(b)中第一个黑色箭头代表折射W avevector/(2pS-1)Wavevector/(2pS -1)(b)W avevector/(2pS-1)Wavevector/(2pS -1)(a)=670 nm| |2(c)/µm/µm-4-4-2-202424=630 nm| |2(e)/µm/µm-4-4-2-202424=670 nm| |2(d)/µm/µm-4-2024=630 nm| |2(f)/µm/µm-4-2024图 3 (a) PhC 1中TE偏振模式下第二条能带对应的等频图; (b) PhC 2中TE偏振模式下第五条能带对应的等频图(红色和蓝色虚线表示670和630 nm对应的等频线). TE偏振的正向入射光 (c) 和反向入射光 (d) 在670 nm波长处的电场强度分布图; 正向入射光(e)和反向入射光(f)在630 nm波长处的电场强度分布图Fig. 3. (a) The EFCs of the second band in PhC 1 for TE polarization; (b) the EFCs of the fifth band in PhC 2 for TE polarization (The red and blue dotted lines represent the EFCs corresponding to 670 and 630 nm). The electric field intensity distribution dia-grams of forward incident light (c) and backward incident light (d) of TE polarization at the wavelength of 670 nm. The electric field intensity distribution diagrams of forward incident light (e) and backward incident light (f) of TE polarization at the wavelength of 630 nm.光方向, 其群速度方向为第二个黑色箭头所示, 即归一化频率0.63a /l (670 nm, 红色虚线)所在等频线的梯度方向, 也就是光在PhC 2中的传播方向. 由此可得, 包括670 nm 波长在内的可见光波可以在异质结构中正向传输, 而此波长附近的反向光波由于禁带作用不能沿着反方向传输. 同理, 由等频图可知, 归一化频率为0.63a /l (630 nm, 蓝色虚线)的入射光波在PhC 1中可以沿着水平方向传输. 之后, 此波长(蓝色虚线)在PhC 2中沿着与水平方向呈小角度偏折的群速度方向传输并可以被耦合到出射光波导. 对于反向入射, 630 nm 光波处于非禁带中, 此时, 利用结构的倾斜界面可以抑制光波传输到PhC 1. 由此, 在理论上, TE 偏振光在异质结构中能够实现非对称传输.运用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD), Lumerical FDTD Solutions 软件计算TE 偏振光波入射异质结构的正向、反向电场强度分布图[35](具体的方法说明见补充材料), 可以直观地观察光波的传输状态, 结果如图3(c)—图3(f)所示. 可以看出, 670 nm 正向入射光波沿着水平方向传输, 到异质结界面后发生折射, 并能够沿着与水平方向有小角度偏折, 继续向右传输,直至耦合到出射光波导, 与等频图的分析一致. 而670 nm 反向入射光处于方向带隙无法进入PhC 2中, 与能带图分析一致. 对于630 nm 的光波, 在正向入射时, 光波能够沿着异质结构传输, 部分光在PhC 2中发生散射, 但很大一部分光可以被接收.而反向入射时630 nm 光波处于PhC 2的非禁带范围, 光波可以到达异质结构界面处, 尽管有一部分光被衍射到PhC 1中, 但大部分的光都被界面阻挡以及散射到PhC 2中的各个方向.3 优化结构分析为了提高结构的整体性能, 必须对PhC 异质结构正向透射率进行优化. 通过控制变量法分别改变PhC 1和PhC 2的晶格常数(a 1和a 2)以及柱子半径大小(r 1和r 2), 可以进一步提高TE 偏振光在hBN 异质结构中的正向透射率, 研究分为以下两个步骤来进行: 1)在不考虑PhC 2的情况下优化PhC 1的透射率; 2)通过改变PhC 2的结构参数进一步优化整个结构的正向透射率(T F ). 通过FDTD 法模拟不同a 1, r 1和a 2, r 2的透射光谱(图4(a)—图4(d)). 可以看到, 在可见光波段内, TE 偏振下,当PhC 1的晶格常数a 1 = 400 nm 且半径r 1 =90 nm 时, PhC 1的透射率可高于0.8. 此外, 在不同4005006007008000.20.40.60.81.0 1=380 nm 1=400 nm 1=420 nmWavelength/nmT r a n s m i t t a n c e(a)4005006007008000.20.40.60.81.0 1=80 nm 1=90 nm 1=100 nmWavelength/nmT r a n s m i t t a n c e(b)40050060070080000.20.40.60.50.81.0 2=400 nm 2=420 nm 2=440 nmWavelength/nmT r a n s m i t t a n c e(c)Wavelength/nmT r a n s m i t t a n c e图 4 PhC 1取不同晶格常数 (a) 与不同柱子半径(b) 的透射率; 异质结构中PhC 2取不同的晶格常数(c) 与柱子半径(d) 的透射率Fig. 4. The transmittance spectra of PhC 1 on the different lattice constants of PhC 1 (a) and the different radii of the columns (b).The transmittance spectra of the heterostructure on the different lattice constants of PhC 2 (c) and the different radii of the columns (d).的a 1和r 1值中, 当a 1和r 1分别为400和90 nm 时,在不同波长下的透射率是最高的(图4(a),(b)).与图2(a)中的能带图计算相符合, 位于禁带476—506 nm 波段光波在PhC 1中传输的透射率很低. 根据PhC 1的结构优化参数, 对PhC 2的晶格常数a 2和半径r 2进行优化, 当a 2 = 420 nm 和r 2 = 80 nm 时, 得到了整体结构较宽带宽内的最佳正向透射率. 从610—684 nm, 正向透射率高于0.5, 在652 nm 波长处的正向透射率为0.65. 因此, 通过优化主要参数晶格常数和半径, 选择了PhC 1和PhC 2的结构参数.非对称光传输器件的性能是用以下参数进行表征的: 正向透射率(T F )、反向透射率(T B )和透射对比度(C ), 其中透射对比度(C )定义为二维hBN PhC 异质结构的透射光谱如图5(a)所示, 入射光为TE 基模模式光源, 当PhC 1和PhC 2距离为a 1时(具体优化过程的计算细节见补充材料), 在610—684 nm (74 nm)波长范围内(除在663 nm 附近透射率降低为0.41), 异质结构实现了T F > 0.5和T B < 0.04的非对称光传输.此外, 在637—670 nm (33 nm)波段内, 对比度C 高于0.95, 最大值达0.98, 并且在此带宽中的T B 几乎为零, 可对应于能带图2(b)中的带隙波段.尽管其他波段不在带隙当中, 但由于异质结构全反射界面的阻挡, 反向光波在界面处发生反射和散射, 使得T B < 0.05, 进而拓宽了反向截止带宽. 进一步, 本研究设计了材料厚度为2 µm (6000层左右)的独立式(悬挂式)二维hBN PhC 平板异质结构(上下包层均为空气), 来最大限度地减小传输损耗, 继续计算有限厚度二维PhC 平板异质结构的透射谱, 结果如图5(b)所示. 有限厚度二维PhC 平板, 较二维结构(厚度为无穷大)的正向透射率有所降低, 在632—–692 nm (60 nm)波长范围内(除在668 nm 附近透射率降低为0.37), 实现了T F > 0.5和T B < 0.03, C > 0.9的非对称传输.同时, 该结构可用微纳加工技术包括反应离子刻蚀(RIE)、电子束诱导刻蚀(EBIE)和聚焦离子束刻蚀(FIB)的方法进行加工[16](建议的加工制作流程见补充材料).4 结 论综上所述, 本文从理论上证明了基于hBN 材料的PhC 异质结构在可见光波段的非对称传输,结构性能如下: 在652 nm 处正向透射率达到0.65,反向透射率低于0.006, 设备的工作带宽为74 nm (带宽内透射率高于0.5). 尽管hBN 具有相对较低的折射率和各向异性的光学特性, 但可以利用其高机械强度, 设计独立式hBN 结构并将整个周期性结构互连来实现高性能的设备, 本文的研究为实验提供了该结构的可行性方案. 结合当前的技术, 将单光子光源直接连接到hBN 光学平台中, 将有可能实现基于hBN 器件的集成光子芯片, 用于量子计算和信息处理. 此外, 该设计原理可广泛应用于基于二维hBN 材料设计不同类型的片上集成光子器件.参考文献X u M, Liang T, Shi M, Chen H 2013 Chem. Rev. 113 3766[1]N ovoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Katsnelson[2]Wavelength/nmT r a n s m i t t a n c e a n d c o n t r a s t r a t i oWavelength/nmT r a n s m i t t a n c e a n d c o n t r a s t r a t i o图 5 (a) 二维hBN PhC 异质结构的透射光谱图; (b) 有限厚度为2000 nm 时, 二维hBN PhC 平板异质结构的透射光谱图Fig. 5. The transmittance spectra of the two dimensional hBN photonic crystal heterostructure (a) and a slab with thickness of 2000 nm (b).M I, Grigorieva I V, Dubonos S V, Firsov A A 2005 Nature 438 197K ubota Y, Watanabe K, Tsuda O, Taniguchi T 2007 Science 317 932[3]S ong L, Ci L, Lu H, Sorokin P B, Jin C, Ni J, Kvashnin A G, Kvashnin D G, Lou J, Yakobson B I, Ajayan P M 2010 Nano Lett. 10 3209[4]N ersisyan H H, Lee T H, Lee K H, An Y S, Lee J S, Lee J H 2015 RSC Adv. 5 8579[5]G lavin N R, Jespersen M L, Check M H, Hu J, Hilton A M,Fisher T S, Voevodin A A 2014 Thin Solid Films 572 245 [6]Z hi C, Bando Y, Tang C, Kuwahara H, Golberg D 2009 Adv.Mater. 21 2889[7]D oan T C, Majety S, Grenadier S, Li J, Lin J Y, Jiang H X2015 Nucl. Instrum. 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Commun. 9 2623[16]J alas D, Petrov A, Eich M, Freude W, Fan S, Yu Z, Baets R, [17]Popović M, Melloni A, Joannopoulos J D 2013 Nat. Photonics7 579Q iang X, Zhou X, Wang J, Wilkes C M, Loke T, O’Gara S, Kling L, Marshall G D, Santagati R, Ralph T C 2018 Nat.Photonics 12 534[18]F ei H M, Wu J J, Yang Y B, Liu X, Chen Z H 2015Photonics Nanostruct. 17 15[19]Y u G X, Fu J J, Du W W, Lu Y H, Luo M 2019 Chin. Phys.B 28 024101[20]L iu D Y, Yao L F, Zhai X M, Li M H, Dong J F 2014 Appl.Phys. A 116 9[21]F eng S, Wang Y Q 2013 Opt. Express 21 220[22]K im M, Yao K, Yoon G, Kim I, Liu Y, Rho J 2017 Adv. Opt.Mater. 5 1700600[23]W ang C, Zhou C, Li Z Y 2011 Opt. Express 19 26948[24]F ei H M, Wu M, Lin H, Liu X, Yang Y B, Zhang M D, CaoB Z 2019 Superlattices Microstruct. 132 106155[25]F ei H M, Xu T, Liu X, Lin H, Chen Z H, Yang Y B, ZhangM D, Cao B Z, Liang J Q 2017 Acta Phys. Sin. 66 204103 (in Chinese) [费宏明, 徐婷, 刘欣, 林瀚, 陈智辉, 杨毅彪, 张明达,曹斌照, 梁九卿 2017 物理学报 66 204103][26]L i J, Ye H, Yu Z, Liu Y 2017 Opt. Express 25 19129[27]F ei H M, Zhang Q, Wu M, Lin H, Liu X, Yang Y B, ZhangM D, Guo R, Han X T 2020 Appl. Opt. 59 4416[28]K im J, Lee S Y, Park H, Lee K, Lee B 2015 Opt. Express 23 9004[29]G ao H, Zheng Z, Dong J, Feng J, Zhou J 2015 Opt. Commun.355 137[30]W ang C, Zhong X L, Li Z Y 2012 Sci. Rep. 2 674[31]K im S, Toth M, Aharonovich I 2018 Beilstein J. Nanotechnol.9 102[32]P lihal M, Maradudin A A 1991 Phys. Rev. B 44 8565[33]F eng S, Wang Y Q 2013 Opt. Mater. 36 546[34]C han C T, Yu Q L, Ho K M 1995 Phys. Rev. B 51 16635[35]Design of asymmetric transmission of photonic crystal heterostructure based on two-dimensionalhexagonal boron nitride material*Wu Min 1)2) Fei Hong -Ming 1)2)† Lin Han 3) Zhao Xiao -Dan 1)2)Yang Yi -Biao 1)2)‡ Chen Zhi -Hui 1)2)1) (Department of Physics and Optoelectronics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)2) (Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Ministry ofEducation, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)3) (Centre for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Victoria 3122, Australia)( Received 18 May 2020; revised manuscript received 12 July 2020 )AbstractTwo-dimensional (2D) hexagonal boron nitride (hBN) possesses many unique properties such as high mechanical strength and excellent chemical and thermal stability. The 2D hBN exhibits a wide bandgap in the UV region and optically-stable ultra-bright quantum emitters that make hBN a promising nanophotonic platform for quantum computing and information processing, especially in the visible wavelength range. Therefore, it is greatly important to build up different nanophotonic devices with different functionalities based on this material platform to achieve the integrated photonic chips. Among the devices, the integratable optical asymmetric transmission devices are important elements for functional quantum computing chips. Since hBN is a dielectric material, photonic crystal (PhC) structure is the most suitable in principle and allows on-chip integration with other photonic devices. In this study, we theoretically design an asymmetric transmission device based on 2D hBN PhC heterostructures in the visible wavelength range for the first time. Due to the relatively low refractive index of 2D hBN material (n < 2.4), we design a free-standing hBN PhC heterostructure to maximize the light trapping in the structure and minimize the propagation loss. The asymmetric transmission device is composed of two square-lattice 2D PhC structures, namely PhC 1 and PhC 2. We use the plane wave expansion method (PWM) to calculate the iso-frequency contours (EFCs) of the PhC structures to study the light propagation inside of the PhCs, which will propagate along the gradient of direction of the EFCs. We design the PhC structure in the way that the incident light beams from different angles can be self-collimated along the Г-X direction of the PhC 2 and coupled out. On the other hand, the backward incident light is blocked by the bandgaps of PhC 2. In this way, asymmetric optical transmission is achieved with high forward transmittance and contrast ratio. In addition, we further finely tune the structural parameters, including the lattice constant and column radius of the PhCs to optimize the performance by using the finite difference time domain (FDTD) method. The resulting 2D hBN PhC heterostructure achieves an asymmetric transmission in a wavelength range of 610–684 nm with a peak forward transmittance of 0.65 at a wavelength of 652 nm. Meanwhile, the backward transmittance is controlled to be 0.04. As a result, the contrast* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61575138), the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11904255), the Key R & D Program of Shanxi Province, China (International Cooperation) (Grant No. 201903D421052), and the Applied Based Research Program of Shanxi Province (Youth Fund), China (Grant No. 201901D211070).† Corresponding author. E-mail: feihongming@‡ Corresponding author. E-mail: yangyibiao_tyut@ratio can reach up to 0.95. The working bandwidth of the hBN PhC is 74 nm (T F > 0.5). In addition, the designed asymmetric transmission device has a small size of 11 µm × 11 µm, thus it is suitable for on-chip integration. Our results open up possibilities for designing new nanophotonic devices based on 2D hBN material for quantum computing and information processing. The design principle can be generally used to design other photonic devices based on 2D hBN material.Keywords: asymmetric transmission, two-dimensional hexagonal boron nitride, photonic crystal, heterostructurePACS: 85.60.Bt, 78.67.–n, 41.20.Jb, 42.70.Qs DOI: 10.7498/aps.70.20200741。
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二维光子晶体全光异或门的设计及研究 张晓金;梁龙学;吴小所;韩根亮 【摘 要】分析了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的传输特性,将二维光子晶体波导、环形腔和马赫-曾德尔干涉仪有效结合,提出了一种基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或门设计.用平面波展开法分析二维光子晶体能带结构,并用时域有限差分法验证光信号在该器件中的电场稳态分布.结果表明,该结构能够实现异或逻辑,且具有高逻辑对比度7.88 dB,快速响应周期0.388 ps和高传输速率7.87 Tbit/s;并且该器件结构尺寸仅为13μm×14μm,易于集成.该异或逻辑结构中引入了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪,使得光子晶体逻辑门结构的设计更加多样,并为二维光子晶体半加器与全加器的设计提供了基础,具有重要的研究意义.
【期刊名称】《发光学报》 【年(卷),期】2018(039)012 【总页数】6页(P1772-1777) 【关键词】硅基光学;异或逻辑门;平面波展开法;时域有限差分法 【作 者】张晓金;梁龙学;吴小所;韩根亮 【作者单位】兰州交通大学 电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070;兰州交通大学 电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070;兰州交通大学 电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070;甘肃省科学院 传感技术研究所, 甘肃 兰州 730070;甘肃省科学院 传感技术研究所, 甘肃 兰州 730070
【正文语种】中 文 【中图分类】TN256 1 引 言 光子晶体[1]是由不同介电常数材料周期性排列而成的人工结构，具有光子带隙[2]和光子局域[3]两大基本特性。光子晶体根据维度的不同可分为一维、二维和三维光子晶体。其中一维光子晶体只在一个维度上存在光子带隙，与二维和三维光子晶体相比有一定的局限性；三维光子晶体由于结构复杂且制备工艺不够成熟，所以制成性能优良的三维光子晶体还存在困难。因此，近些年二维光子晶体的研究引起了较多的关注。目前，光通信和光信息处理过程中不可避免要使用“电-光”和“光-电”转换，在该过程中能量转换会带来一定程度的损耗且低的转换效率会给光通信与光信号处理带来诸多不便。为了解决这些问题，全光网络的研究成为了热点，并且已经设计出了许多全光器件，如基于时分复用的多点式环形腔光纤电流传感器[4]、高功率全光纤光载微波信号功率放大器[5]和100 W全光纤化高重频窄脉宽光纤激光器[6]等。光计算是全光网络的重要组成部分，而全光逻辑门又是光计算的基础，因此全光逻辑门的设计引起了大量的关注[7-8]。二维光子晶体在光传输和光控制方面有很多其他材料不具备的优势，因此将二维光子晶体用于逻辑门结构的设计引起了研究热潮。2011年，Ishizaka等[9]提出一种X结构二维光子晶体逻辑门，实现了与和异或逻辑功能。2014年，Lin等[10]将非线性材料引入二维光子晶体中，利用该材料的非线性实现了与和或非逻辑功能。2015年，Naznin等[11]将二维光子晶体波导与微腔相结合，最终实现了非和异或逻辑结构的设计。2017年，Caballero等[12]利用光的相长干涉和相消干涉原理，通过控制二维光子晶体波长长度实现相应逻辑功能。同年，吴蓉等[13]通过在光信号输入端引入一条二维光子晶体控制波导，完成了非和或非逻辑结构的设计，并优化了散射介质柱和折射介质柱半径使得逻辑门性能最优。 本文在前人的逻辑门设计基础上，将二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪引入了逻辑门设计，提出了一种基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或门逻辑结构。该结构将二维光子晶体波导、环形腔与马赫-曾德尔干涉仪有效结合，实现了异或逻辑功能，且使得二维光子晶体逻辑门的结构设计呈现多样化，该器件结构紧凑，可集成度高，响应时间短，功耗低，性能稳定。 2 结构设计及理论分析 2.1 能带分析与结构设计 本设计是在空气中填充25×31个圆形硅介质柱，采用三角晶格结构，介质柱半径及折射率分别为0.2α和3.45，其中α为晶格常数，其值为0.54 μm。用平面波展开法(PWM)[14]对光信号在该二维光子晶体的横电模(TE模)和横磁模(TM模)进行能带分析，其结果如图1所示。由图1可知，光信号在TE模下有两条带隙，分别是0.277 41～0.447 64(α/λ)和0.567 43～0.594 75(α/λ)；在TM模下仅有一条带隙0.823 82～0.876 36(α/λ)，其中λ为光信号波长。宽带隙是设计光子晶体器件的首要条件，因此选择TE模下的0.277 41～0.447 64(α/λ)作为研究带隙，其对应波长为1.206～1.974 μm。 图1 二维光子晶体TE模和TM模下的带隙结构Fig.1 Gap structure of two dimensional photonic crystal under TE and TM mode 基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或逻辑结构如图2所示。从图中可以看出该结构由三条二维光子晶体波导、两个二维光子晶体环形腔和一个二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)组成。其中的两条波导位于该结构的左侧，第三条波导位于该结构的右侧，从而形成两个输入波导和一个输出波导，分别为PINA、PINB和POUT;马赫-曾德尔干涉仪位于该结构的中部并与输出波导相连；两个环形腔分别位于两条直波导和马赫-曾德尔干涉仪的中间部分。光信号从输入波导PINA或PINB输入，经过环形腔和马赫-曾德尔干涉仪后从输出波导POUT输出。设计该结构不仅要使其具有高可靠性，还要尽可能让结构紧凑，要做到这一点就要合理组合波导、环形腔和马赫-曾德尔干涉仪，最终设计出如图2所示的结构，其尺寸大小只有13 μm×14 μm，具有较高集成性。 图2 二维光子晶体异或门逻辑结构Fig.2 XOR logic gate structure based on two-dimensional photonic crystal 2.2 理论分析 光信号在两条输入波导中任选其一输入时，光信号从侧边耦合进入环形腔，则侧边耦合的传输效率η[15]可表示为：
式中的1/τ=1/τ1+1/τ2+1/τ0。其中，s+和s-分别表示入射信号与反射信号；τ0、τ1和τ2分别为环形腔内损耗衰减持续时间和波导与环形腔两端发生耦合时振幅的衰减时间；ω0是环形腔局域光信号的频率。由式(1)可知，当入射光信号的频率与环形腔的谐振频率相同时，环形腔内部损耗极小，此时τ0值极大。目标光信号先通过光波导，然后耦合进入环形腔，最后从环形腔耦合进入马赫-曾德尔干涉仪。 通常二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪由两个耦合器和两条光波导构成，输入的光信号在第一个耦合器上被分成等幅的两束光信号，此时一束光信号进入上波导传输，另一束进入下波导传输，在传输过程中光信号的相位会发生如下变化：
(2) 其中，Γ为模场限制因子，α为线宽增强因子，gλ为增益。经过相位调制的光信号在第二个耦合器上发生干涉，将相位调制转换为振幅调制，输出光信号。本设计中的输入光信号从环形腔两端耦合进入马赫-曾德尔干涉仪，将进入干涉仪的总光场定义为Ein(t)，上下两条波导的增益分别为G1(t)和G2(t)，利用该结构中马赫-曾德尔干涉仪的对称性得出输出光场Eout(t)[16]为： (3) 经过运算还可得到输出端口功率POUT的表达式为：
cos[φ1(t)-φ2(t)]}, (4) 其中，PIN为光信号的输入光功率。由于该结构未涉及马赫-曾德尔干涉仪的非对称结构，因此对其不做讨论。 3 仿真结果与分析 判断逻辑门性能优劣的参数之一是输出端口的透射率。根据输出端口透射率大小要得出逻辑关系，同时还要确保在逻辑“0”时，输出端口透射率尽可能低，而在逻辑“1”时，透射率尽可能高，这样就可以确保该结构的准确性和可靠性。在两个输入端口中选其一，输入一束高斯光信号(该逻辑门结构是关于X轴对称，任选其一即可)。然后,利用光谱功率密度函数的快速傅里叶变换(FFT)计算出输出端口和未激发输入端口的透射率，其透射值如图3所示。由图3可知，该结构的谐振波长为1.322 8 μm，在一个输入端为“开”状态、另一个输入端为“关”状态时，输出端口透射率为92%，而未激发输入端口透射率仅为15%。因此利用逻辑门对比度函数R=10log(P1/P0) dB(P1为输出端透射率，P0为未激发输入端透射率)得出逻辑门对比度为7.88 dB。表明该结构具有较高精度，可以作为可靠的高精度器件。 图3 输出端口及未激发输入端口透射率Fig.3 Output port and unexcited input port transmittance 将边界条件设置为完全匹配层边界条件(PML)，用时域有限差分法(FDTD)[17]分析该结构的电场稳态分布。当光信号仅从PINA端口输入(A=″1″,B=″0″)时，输出端POUT的透射率为92%，对应的逻辑关系为“1 OR 0=1”，而未激发端PINB的透射率仅为15%，损耗较小，对应逻辑为“0”。同理，当光信号仅从PINB端口输入(A=″0″,B=″1″)时，输出端POUT的透射率也为92%，对应的逻辑关系为“0 OR 1=1”，同样未激发端PINA的透射率仅为15%，对应逻辑为“0”。最后，在两个输入端PINA和PINB同时输入光信号(A=″1″,B=″1″)时，输出端POUT的透射率仅为17%，对应逻辑为“0”，则相应逻辑关系为“1 OR 1=0”。这3种情况的电场稳态分布如图4所示，该器件的逻辑关系及各端口的透射率见表1。由图4和表1可以得出，该结构可以实现异或逻辑功能且逻辑“0”和“1”区分度明显。 图4 3种逻辑输入的电场稳态分布。 (a)A=″1″,B=″0″；(b)A=″0″,B=″1″；(c)A=″1″,B=″1″。Fig.4 Electric field distribution of three types of logical inputs. (a) A=″1″, B=″0″. (b) A=″0″, B=″1″. (c) A=″1″, B=″1″. 表1 异或门逻辑关系及端口功率值Tab.1 XOR gate logical relations and port power valuesPINAPINBPOUTLogic levelInjected powerLogic levelInjected powerLogic levelTransmitted power000000001PINB10.92PINB1PINA0010.92PINA1PINA1PINB00.17(PINA+PINB) 逻辑门的响应周期是影响逻辑门性能的又一重要参数。图5是该逻辑门输出端输出功率随时间的变化曲线，由图5可知ct=38.2 μm。其中，c是光在空气中的传播速度，其值为3×108 m/s；t为输出功率上升为平均功率所需时间。通过计算得出t=0.127 ps，因此光信号在该结构中的信号传输速率为7.87 Tbit/s且逻辑门的响应周期为0.388 ps。结果表明，该结构可以实现异或逻辑功能，并且具有精度高、损耗小、传输速率快和响应周期短等特性。