（光学专业论文）硅基全光逻辑器件的研制.pdf

硅基全光逻辑器件的研制 摘要 本文主要研究利用硅基材料来设计各种全光逻辑器件，内容包括： 1 适用于光通讯波段全光逻辑门。利用多模干涉原理，设计了多端口的全光逻 辑t l z l 1 和具有多种逻辑功能的3 x 3 光波导全光逻辑门，并用束传播法( b p m ) 进行模拟和分析。 2 适用于太赫兹波段的光子晶体光开关。利用平面波展开法( p w e ) 计算硅基 空气孔型的二维光子晶体带隙，设计出适用于太赫兹波段的光子晶体光开关， 并用有限时域差分法( f d t d ) 对器件进行模拟和分析。 3 根对与波导器件，根据实验室已有的s o l 材料，用有效折射率方法换算出加 工参数并实际加工，并用实验室的非接触三维测试系统和近红外光谱探测系 统进行了测量。而对于光予晶体器件，则用单晶硅材料制作出原型器件。为 了解决太赫兹波的耦合问题，我们尝试用真空尖锥型导管来解决，目前已取 得一些进展。如何将太赫兹波的光斑进一步缩小将需要继续探讨。 关键词；光波导，光开关，多模干涉，光子晶体，太赫兹 a b s t r a c t f a b r i c a t i o no fs i - b a s e da l l - o p t i c a ll o g i c d e v i c e a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yc o n c e t n sa b o u tt h ed e s i g no fs i - b a s e da l l - o p t i c a ll o g i cd e v i c e s a sf o l l o w s ： 1 a l l - o p t i c a ll o g i cg a t ef o rc o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t h t h i sp a p e rp r o p o s e sa m n l t i - p o r tl o g i cn o tg a t e a n da3 x 3a l lo p t i c a ll o g i cg a t eb a s e do n m u l t i - m o d ei n t e r f e r e n c e ( m m i ) p r i n c i p l e w es i m u l a t e do u rd e v i c e sb yb e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) 2 t e r a h e r t zp h o t o n i cc r y s t a ls w i l c h i nt h i sp a p e r , at e r a h e r t z ( t h z ) p h o t o n i c c r y s t a l ( p c ) s w i t c hp r o p o s e d p l a n ew a v ee x p a n s i o n ( p w e ) a n df i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) m e t h o da l eu s e dt oc a l c u l a t et h ep cb a n d g a p a n dt oe s t i m a t et h ep e r f o r m a n c e , r e s p e c t i v e l y 3 f o rw a v e g u i d ed e v i c e , t h ee f f e c t i v e - r e f r a c t i v e - i n d e xm e t h o d i su s e di n p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n 。a l s ot h en o n c o n t a c t t h r e e - d i m e n s i o n a lt e s t i n g s y s t e ma n dn e a r - i n f r a r e ds p e c t r u mt e s t i n gs y s t e r na r eu s e dt oc h a r a c t e r i z e t h ed e v i c e s w ea l s of a b r i c a t e dat e r a h e r t zp h o t o n i cc r y s t a ld e v i c e 埘t l l s i l i c o n m e a n w h i l e w eh a v ed o n es o m ee x p e r i m e n t s 、i mav a c u u mt a p e r t u b et oc h a n g et h es p o ts i z eo f t h et e r a h e r t zw a v ea n di ts t i l ln e e d sf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：o p l j c a lw a v e g u i d e ，o p t i c a l s w i t c h ，m n l t i - m o d ei m e r f e r e n e e ， p h o t o n i cc r y s t a l ，t e r a h e r t z 钨i 带0 l 苦 第1 章引言 1 1 近红外全光逻辑的研究背景 自从电报的发明以来，人们传输信息的方式发生了巨大的变化。而电话的发 明义使信息的传输容量和速度发生了一场革命。上个世纪初期，以铜芯为主的传 输网络已经足以应付传输容量的需要。随着信息时代的到来，传统的铜网传输系 统已经不能应付日益庞大的信息量的要求，取而代之的是捌有极宽带宽( 约5 0 t b i t s ) 和低损( o 2d b k m ) 的高速传输速度的光纤网络以及密集波分复用技术 ( d w d m ) 。在中点站的探测器把光纤咀的光信号转换为电信号，然后放大和进行 各种计算和调制，再把电信号转换为光信号，发送到下一级的光纤中。但如此高 的传输容量反过来又对传统的光一电一光骨干网路节电设备带来沉重的负担。其 中的“电子瓶颈”效应又严重的限制了通信容量和速度。而且，节点变得庞大而复 杂，d w d m 所带来的经济性将被昂贵的光一电一光转换费用所抵消。为了提高 未来光网络中光信息处理的容量，以及避免繁琐的光电、电光转换进而提高光信 息的处理速度，研制对信号光能进行高速的信号处理并实现各种逻辑功能的全光 逻辑器件是势在必行的。在未来全光器件中，硅基全光器件尤其受到重视i l 】。硅 基材料的全光器件与其他材料的相比，其制作工艺和现行集成电路的工艺相兼 容，制作成本低，且易于单片集成；另外由s i 材料发展的s i g e 材料，还可以通过 改变材料中g e 的含量来改变其折射率，当g e 的组分小于1 0 时，仍然有等离子 色散效应，这些都使得s i g e 材料也成为当前光通信网络中的一种热门材料。在全 光网络中，由于无需增加转换设备，所以允许存在各种不同的协议和编码形式， 使信息传输具有透明性。而且全光交换减少了网路中的光一电一光转换环节，节 省了大量的投资，透明的光交换使得用户速率更容易升级到未来的更高的传输速 率。可见，全光逻辑的发展对未来的光分组交换、光计算和光传输等方面具有十 分深远的影响。图1 1 为人们构想的近红外波段的全光集成器件。 半年健硅皋牟_ 光遄掣 器件的埘制 图1 1 近红外拿光集示意图 目前已经有不少关于设计近红外全光逻辑器件的报道，叟1 1 a l m e i d a 等人在 2 0 0 4 年n a t u r e 上发表基于s o l 的全光开关，该器件不仅尺寸很小，上升时间短( 仅 几百皮秒) ，而且所需要的控制光只有2 5p 。相比之下，功能较为强大的全光 逻辑器件发展相对缓慢，但是由于全光逻辑器件和全光计算紧密联系，近年来已 经越来越受到重视。早期的研究般都是利用半导体光放大器( s o a ) 的饱和特性 来设计的有源逻辑器件 3 - 6 1 ，而无源的全光逻辑器件主要利用材料的非线性。出 于硅材料的非线性效应很弱，因此大部分都是采用非线性系数大的材料【7 ，趴。 ( a ) 争章健胖摧争光逻辑器件的研制 图1 2 全光逻辑门( a ) 非门 ( b ) 与门 例如，图1 2 为t e t s u r oy a b u 等人所设计的全光逻辑器件【9 】。图中黑色部分为 非线性材料。( a ) 图中，信号光从1 2 输入，当没有控制光时，信号光从0 2 输出；当 控制光从l l 输入，会改变黑色区域的折射率，从而使信号光从o 。输出。这就构成 了一个基本的反转器。以这个反转器为基本单元，还口丁以构成“与门”，如图2 ( b ) 所示。只有当i l l 和i i r 同时有控制光输入时，输出端u 1 0 2 才会有光输出。另外， 也有报道利用光的相干性1 1 0 l l 】以及其他原理【1 2 】设计的全光逻辑门。上诉介绍的 全光逻辑器件大部需要用到强光作为控制光，而且由于使用的材料不与硅工艺相 匹配，难以实现集成。相比之下，由于m m i 器件的结构简单，制作容差大，容 易集成，使得m m i 器件一直以来都是研究的热点。2 0 0 4 年，韩国的一个研究小 组提出了用多模干涉( m m i ) 原理设计全光逻辑器件1 1 3 】，但是该器件是由多个基本 单元组成的，不仅尺寸非常大，而且结构也很复杂。 1 2 太赫兹光子晶体全光逻辑 现代光通信的发展已经不仅仅局限于近红外波段( 1 3 1 0 1 5 5 0n m ) ，新兴的 太赫兹( n z ，1t h z = 1 0 “h z ) 技术大大扩大了光通信的研究领域。太赫兹辐 射通常是指波长在l o 0 3n l n 区间，频率从3 0 0g h z 到1 0t h z 的电磁辐射， 其电磁辐射区域位于毫米波与红外光之间。t h z 电磁波的光子能量远小于近红外 波段光子的能量，因而利用t i - l z 电磁波做信息载体比用近红外光能量效率高得 多。但如果仍然沿用波导技术设计太赫兹器件，器件的尺寸将会变得非常大。而 自从光子晶体的概念在1 9 8 7 年分别有s j o l l i l 和e y a b l o n o v i t c h 等人提出后【1 4 ， 1 5 】，光子晶体就一直是人们的研究热点。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， 如果晶体中各参数选择合理，将会在晶体中形成类似于半导体禁带的“光子禁带” 正是由于光子禁带的存在，光子晶体能把光约束在很小的缺陷内，同时，这一特 性也已经开始被应用到设计太赫兹器件上1 t 6 1 。事实上，一些可以用在光波波段 和微波毫米波波段的一些光子晶体的技术和方法同样可以在t h z 波段得到实现。 牟争健辟螭争光逻辑器件的研制 值得注意的是，广泛应用于近红外二 三导体工艺的硅材料对t h z 电磁波几乎是完 全透明的。因此，我们可以根据器件晌具体要求，利用光予晶体所具有的优良的 电磁和光学传播特性，设计了太赫兹波段的光子晶体逻辑器件。这样就可以统一 使用s i 基材料来连通近红外和远红外电磁波的全光集成。 1 3 本论文的研究内容及组织架构 本论文针对光逻辑的两个应用波段进行了相关的讨论：1 、适用于光通讯波 段光波导全光逻辑：2 、适用于太赫兹波段的光予晶体全光逻辑。为了更好阐述 以上研究内容，本文的组织结构如下： 第一章简述了光通讯波段的光逻辑器件，对太赫兹技术和光子晶体的概念和 应用也作了简单介绍。 第二章我们研究了关于s i g e 材料的等离子色散效应以及多模干涉原理，并 利用相关的性质，理论设计了2 3 全光逻辑非门和3 3 多功能全光逻辑门。第 二节的结果已发表在p r o c s p l e , v 0 1 6 0 1 9 ，6 0 1 9 0 y - 1 6 0 1 9 0 y - 7 ，2 0 0 5 1 第三节 的结果已发表在o p t i c s e x p r e s s ，v 0 1 1 3 ，1 0 3 3 1 0 3 8 ，2 0 0 5 1 并且已申请国家实用 新型专利一项1 第三章在介绍了计算二维光子晶体的两种常用方法后，我们将二维光子晶体 与太赫兹技术结合，理论设计了太赫兹光子晶体光开关。f 第二节的研究结果已 发表在o p t i c se x p r e s s ，v 0 1 1 4 ，3 8 8 7 3 8 9 2 ，2 0 0 6 】 第四章主要对制作出来的3 3 光波导器件和太赫兹光子晶体光开关进行几 何以及光学性质的测量，并对用尖锥型导管解决太赫兹波的耦合问题做了相关的 前期研究。 4 李争健升埔争光逻辑器件的研制 参考文献 【l 】r a s o r e c “s i l i c o n b a s e do p t o e l e c t r o n i c s ，”p r o c i e e e 。1 9 9 3 。8 1 ：1 6 8 7 - 1 7 0 6 【2 】v r a l m e i d a , c a b a r r i o s ，r r p a n e p u c c i ，a n dm l i p s o n , “a l l o p t i c a l c o n t r o lo f l i g h t o nas i l i c o nc h i p ，”n a t u r e 。2 0 0 4 ，4 3 1 ：1 0 8 1 1 0 8 4 【3 】a s h a r a i h a ，h w l i ，f m a r c h e s e ，a n dj l eb i h a n , a 1 1 o p t i c a ll o g i cn o r g a t eu s i n gas e m i c o n d u c t o rl a s e ra m p l i f i e r ，”e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 7 ，3 3 ：3 2 3 - 3 2 5 【4 】a d m c a u l a y ，“a l lo p t i c a ll o g i cg a t e su s i n gs e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r , ” p r o c s p i e ，2 0 0 2 ，4 7 8 8 ：8 3 - 9 0 【5 】h s o t o ，j d t o p o m o n d z o ，d e r a s m e ，a n dm c a s t r o ，“a l l - o p t i c a ln o rg a t e s w i t ht w oa n dt h r e ei n p u tl o g i cs i g n a l sb a s e do nc r o s s - p o l a r i z a t i o nm o d u l a t i o ni n as e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r , ”o p t c o m m u n ，2 0 0 3 ，2 1 8 ：2 4 3 - 2 4 7 【6 】h d o n g ，q w a n g , g z h u , j j a q u e s ，a b p i c c i r i l l i ，n k d u r r a , “d e m o n s t r a t i o no fa l l o p t i c a l l o g i co rg a t eu s i n gs e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r - d e l a y e di n t e f f e r o m e t e r , ”o p t c o n u n u n ，2 0 0 4 ，2 4 2 ：4 7 9 - 4 8 5 【7 】l b r z o z o w s k ia n de h s a r g e n t ， a l l - o p t i c a la n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r s ， h a r d l i m i t e r s a n d l o g i c g a t e s , j l i g h t w a v e t e c h n 0 1 ，2 0 0 1 ，1 9 ：1 1 4 - 1 1 9 【8 】v v a n , t a i b r a h i m , p p a b s f l ，f g j o i n k q o n , r g r o v e r ，a n dp - t h o ， o p t i c a l s i g n a l p r o c e s s i n gu s i n g n o n l i n e a rs e m i c o n d u c t o r m i e r o r i n g r e s o n a t o r s ，”i e e ej s e l e e t o p i c s q u a n t u me l e c t r o n ，2 0 0 2 ，8 ：7 0 5 - 7 1 3 【9 】t y a b u , m g e s h i r o ，t k i t a m u r a , k n i s h i d a , a n ds s a w a , a l lo p t i c a ll o g i c g a t e sc o n t a i n i n gat w o - m o d en o n l i n e a rw a v e g u i d e ，”i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ， 2 0 0 2 3 8 ：3 7 - 4 6 【1 0 1 t f j e l d e 。d w o l f s o n , a k l o c kc j a n z , 九c o q u e l i n , i g u i l l e m o t , f o a b o r i t , f p o i n g t , b d a g e n s ，a n dm r e n g a u d , “1 0 g b i t sa l l - o p t i c a ll o g i co ri n m o n o l i t h i c a l l yi n t e g r a t e di n t e r f e r o m e t r i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e r , ”e l e c t r o n l e a ， 2 0 0 0 ，3 6 ：8 1 3 - 9 1 5 【1l 】s r o y c h o w d h u r y , v k j a i s w a l ，a n d p s i n g h , “i m p l e m e n t i n gc o n t r o l l e d n o tg a t e 诵t l lo p t i c a lv o r t e x o p t c o m m u n ，2 0 0 4 ，2 3 6 ：4 1 9 4 2 4 5 一兰! 丝竺苎全娄型坐堂堡塑业型 1 2 】m - p e c c i a n t i c c o n t i 、a n dg a s s a n t o ，“a l l - o p t i c a ls w i t c h i n ga n dl o g i cg a t i n g w i t hs p a t i a ls o l i t o n si nl i q u i dc r y s t a l s ，”a p p l p h y s l e t t 一2 0 0 2 8 1 ：3 3 3 5 3 3 3 7 13 1 jk i m y s e o ，h y o o n ，a n dy 1 m “p r o p o s a lo fa l lo p t i c a ll o g i cg a t eb a s e do n m m i ，”p r o c s p i e ，2 0 0 4 ，5 2 7 9 ，4 9 7 5 0 0 【1 4 e y a b l o n o v i t c h ，“i n h i b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d s t a t ep h y s i c sa n d e l e c t r o n i c s ，”p h y s r e v l e t t ，1 9 8 7 ，5 8 ，2 0 5 9 2 0 6 2 1 5 1 j s s t r o n g ，l o c a l i z a t i o no fp h o t o n si nc e r t a i nd i s o r d e r e dd i e l e c t n c s u p e r l a t t i c e s ，”p h y s r e v l e t t ，19 8 7 ，5 8 ，2 4 8 6 2 4 8 9 1 6 s - s a v e l e v , a l r a k h m a n o va n df n o r i ，“u s i n gj o s e p s h o nv o r t e xl a t t i c e st o c o n t r o lt e r a h e r t zr a d i a t i o n ：t u n a b l e t r a n s p a r e n c y a n dt e r a h e r t z p h o t o n i c c r y s t a l s ，”p h y s r e v l e t t ，2 0 0 5 ，9 4 ：15 7 0 0 4 6 笫2 章种挂近l 外牟光逻辑器件的婵论1 5 计 第2 章硅基近红外全光逻辑器件的理论设计 引言 前面提到利用硅基材料设计或制作的全光逻辑器件是发展下一代全光网络 的一个重要方向。其中锗硅( s i g e ) 材料不仅具有显著的等离子色散效应，而且 其材料特性可随g e 的组份变化而改变，因而受到极大重视。s i 的折射率为3 5 ， g e 的折射率为4 3 ，s i g e 合会的折射率可在它们之问通过g e 的组份来调节，因 而很容易使s i g e s i 异质结光波导的数值孔径与单模光纤数值孔径相匹配。同时 作为波导层的s i g e 合会可以生长在低阻的s i 衬底上，大大降低衬底高浓度载流 子引起的吸收损耗，使其传输损耗达到小于1d b c m 的实用范卧“。另外，s i g e 波导层的厚度可设计在几个微米量级【2 】，易于在光纤通信系统中与直径为l o 岫 的单模光纤耦合。目前已经有文献报导利用s i g e 材料设计光开关【3 】，光解码器柳 等。本文正是利用s i g e 材料的特点，并结合多模干涉原理来设计适用于近红外 的全光逻辑器件。 2 1s i g e 合金的等离子色散效应 存在于s i 中的任何自由载流子都会使其折射率、吸收系数改变。这就是s i 的等离子色散效应。对于s i g e 材料，g e 的组份通常小于1 0 ，因而s i g e 材料 仍是以s i 为主体，其等离子体色散效应可表示为【5 】： ，= 一i ! 笙l 掣l + 掣l i ( 2 1 ) 8 f 2 c 3 岛【吒。峨一，j 、 a 口= ( 2 - 2 ) 爿 粤一 嗜 善 半幸健辟坫牟= 光逻辑器件的研制 式巾：五是光波波长，e 是电子电荷，s o 是真空介电常数，c 是光速，7 s 吼是本征 s i g e 的折射率，a n 。和a n i 。分别是电子和窄穴浓度的变化量，p 。和分别是电 子和空穴的迁移率，垅j 和m 二 分别疋i = t 吧丁寸u ，工八h y 吧哥伺坝1 小里r o t 。 s i g e 合金材料的屯子和窄穴电导有效质量分别满足6 1 ： 研二( m g 。) = 卅j 刚旷( 1 一x ) + m ：州训工 ( 2 3 ) 卅二( ) = 州二( ( i 一工) 十碗f j 工 x 为s i g e 材料中g e 的组份。其中纯g e 材料 代入( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 式有 ：f f 。1 = o 1 2 m o 二m 1 = o 1 m o r a c + e ( s i g e ) = ( o 2 6 一o 14 x ) m o 二( 。】= ( 0 3 9 0 2 9 x ) m o 当波长 = 1 5 5 啪时。可得： f 2 4 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) a n a5 5 = 一8 8 1 0 2 2 a n e + 8 5 1 0 。8 ( “川( 2 - 9 ) 血”5 = 5 0 1 0 。8 蝇+ 2 1 1 0 2 0 ( a n h ) l ”j ( 2 - l o ) 式中帆和a n e 分别为注入到波导芯的平均空穴浓度和平均电子浓度，单位为 李帝健辟牡伞光逻辑器件的制 2 2 多模波导的自成像原理 所谓多模波导的自成像原理，即在多模波导中，沿着波导传播方向，周期性 地复制出输入场的单像或多像。由导模展丌法【7 】，输入场在传输距离z 处，可看 作是各个模式以一定的相位组合叠加而成的一个波： 甲( x ，y ，z ) = c 。吼( x ，y ) e x p j ( o j t - f l , , z ) ( 2 一1 1 ) 式中c 。是u 阶导模的激励系数，m 是导模总数，钆( t y ) 为多模波导承载的第d 阶 导模，凡是d 阶导模的传播常数，根据色散关系及二次项展开近似可得， 尾= k o n r 一净 ( 2 - 1 2 ) 式中睨。是考虑了边界处由g o o s h a h n c h e n 位移引起每个模场横向穿透深度后的 有效宽度。一般情况下，有效宽度睨。可用基模的有效宽度睨。近似，为了简单起 见，将睨。表示为： = = + ( 钐) ( 尸( 一；一栉；) 一 ( 2 1 3 ) 式中辟为波导的几何宽度，对t e 偏振模o r = 0 ，对t m 偏振模o r = l 。由( 2 - 1 2 ) 式可知，传播常数尾与模数u 近似成二次关系，且不同波长的传播常数也不同。 为设计方便，定义拍长t 为： t ；南* 箐 9 ( 2 - 1 4 ) 李章健辟桀牟= 光逻辑器什的研制 其中成和属分别是基模与次高阶模的传播常数。输入场w ( x ，y 0 ) 传播l 距离后 变为： 邺烘驴象吼咖x p 【j 骂半三 ( 2 _ 1 5 ) 式中略去了作为公因子的基模相位项，即波导内的传输光的波形取决于激励常数 c 。和相位因子 e 舢掣三】 从而得到在传播方向处形成m 个入射场的像的条件是 ( 2 1 6 ) l 2 p ( 3 l , r ) i mp = 0 ，1 ，2 ，m = 1 ，2 ( 2 1 7 ) 其中p 是沿着多模波导传播播方向上的周期参数。 2 32 x 3 全光逻辑非门 2 3 1 器件设计 图2 - 1 为s i g e s i 的2 3 全光逻辑非门的结构示意图，其逻辑门的工作波长 为1 5 5 m 。它可以分为三部分：输入端和输出端分别由两个和三个单模波导组 成，中间部分是一个多模二f 涉波导。该信号光从输入波导( 2 ) 输入，而控制光 从输入波导( 1 ) 输入。输入波导( 2 ) 和输入波导( 1 ) 的不同之处在于波导( 1 ) 顶端生长有n + - s i c a p 层，与衬底层形成n - i - p ，这样可在其一侧引出电极，通过施 加偏压来控制载流子浓度，引起s i g e 波导层折射率变化，从而改变信号光和控 制光的相位差。不同的输入相位差在输出端会形成不同状态的光场迭加结果，这 样就实现对输出光的逻辑状态的控制。 1 0 李帚健什皋伞光逻辑 件的制 图2 12 3 全光逻辑非门结构示意图 器件参数的设计思路如下：为了能更好的和单模光纤耦合，输入和输出波导 的厚度和宽度分别设为2 5p m 和1 0 肛m ，根据大截面单模波导的设计原则，所 有波导的刻蚀深度为1 0u m 。我们用了有效折射率的方法把三维的结构简化成二 维结构。转换后波导的有效折射率为3 5 0 7 ，包层的折射率为3 5 。在考虑波导日】 距时，如果间距太小，不同波导传输的光会相瓦影响；如果间距太大，又会使得 器件尺寸变大。因此可以在计算机中模拟两条单模波导的耦合特性，结果如图 2 - 2 所示。可以看出，当单模波导间距为4u m 时，他们之白j 的耦合效率已经接 近为零，因此本文选取单模波导之白j 的间距为4 岫。 0 o0 5t 01 52 02 53 03 54 0 4 5 s p a c eb e t w e e nt w os i n g l em o d ew a v e g u i d e 图2 2 平行的两条单模波导的耦合特性 -；o口_，a-，o巷胜一再e10z 拿乖龅砖旱伞光逻辑器件的删制 存设计多模波导干涉区时，选取多模波导宽度为三个单模输出波导的宽度和 他们之f l u 间距的和，即w m = 3 8u m 。根据自成像原理，入射光场会在多模波导 中周期性重复，为了使得器件更加紧凑，在考虑多模波导的长度时，我们取第一 个成像周期的氏度作为多模波导的长度。即( 2 ，1 7 ) 式中取p = 1 ，m = 3 ( 对应 三个输出波导) 。把= 3 8p i n ，九o = 1 5 5p r n 代入( 2 - 1 3 ) 式，可得对于t e 和 t m 模，两者的有效宽度1 常接近，为了设计方便，统一墩w e 。= 4 0 2 2g m 。把 结果代入( 2 1 4 ) 和( 2 1 7 ) ，得多模波导的长度为l = 4 8 8 0g m 。 在输出端的迭加光场会随着输入端的相位差变化而变化，而输入端的相位差 又由单模输入波导( 1 ) 的长度和折射率的变化所决定。所以在这甩有必要先考 察折射率变化的范围以及多模波导中的相位分布。 由前面的讨论可得，波导和包层的折射率差为o 0 0 7 ，于是对单模输入波导 ( 1 ) ，由等离子色散效应引起的折射率变化只能限于0 o 0 0 7 。折射率变化越大， 需要的注入电流也越大，相应的会恶化光的泄漏和吸收。在本文中，选取折射率 变化的最大值为o 0 0 2 ，根据( 2 9 ) 式，载流子浓度的变化为= 6 2 0 1 0 ”c m 一。 ( 在这里我们假设了a n 。和a n h 的变化量相等) 按下来，我们用束传播法( b p m ) 计算单独输入的情况下，输出端和输入 端的相位关系。由于我们关心的是相对相位变化，所以不妨假设单独输入时，光 场的初相位为仍。= 0 ，仍。= 0 ( 。和伽一。分别代表从单模波导( 2 ) 和单模波 导( 1 ) 的输入的初相位) 。图2 - 3 ( a ) 和( b ) 分别是当朔。= 0 和竹。= 0 时，在输出 端的相位分布图。 争帝健特皋争，匕逻钟 | 件的i 卅制 w n e g l i d e 5 jl w a v e g u , t 翻 t 一l _ -_ 。_ _ 一一l 一 - - - f 。 j 、 、，一 - h 、- 一 p o s i t i o na l o n oxa x i $ j j t m ( a ) w e g m o e ，j1w a v e g m o e 十t - 、_ - 、一 7 ，- 。 3 3 3 5 0 7 3 5 3 5 0 7 3 5 乏o1 0o1 02 0 p o s i t i o na l o n gx a x i s ；t m ( b ) 图2 3 输出波导端的相位分布图( a ) 仍。= 0 ( b ) 仍。= 0 从图中可以看出，当仍。= 0 ，从输出波导( 3 ，4 ，5 ) 输出的光场的相位分别为 , p 。- 3 = 们、灿= 2 n 3 、灿= 们；当仇。= 0 ，从输出波导( 3 ，4 ，5 ) 输出的光 场的相位分别为仇- 3 = - 2 7 以、灿= 们、f 。- 5 = 2 们。在本文中我们假设信号光和 控制光是相干的，因此若两束光同时输入且它们在发生干涉时的光强相等( 均为 髯童一宝霉丝暑芷 矗撇怕。舶批1 口a-l咖。 皇毒暑-二0-量一 誊pu一；一芍置-尊世 李章健件批牟光逻辑器什的1 1 ) 制 厶) ，则在输出端迭加的总光强满足 ，= 4 1 0 c o s 2 ( 慨1 一恍i ) 2 ， ，= 3 ，4 ，5( 2 1 8 ) 由于在输m 端和输入端的光场相位分布关系已经在前面给出，所有只要适当 改变输入光场的相位差，便可以满足体。一o c - j = 7 【+ 37 x ，5 兀，根掘( 2 18 ) 式， 此时相应的输出波导输出的光强，= 0 ，也就是晓在相对应的输出波导中，没有 光能量输出。这样便实现了逻辑非门的功能。表2 1 至表2 3 列出了要在输出波 导( 3 、4 、5 ) 实现非门功能时所需要的输入相位差。 表2 - 1 输出波导( 3 ) 为非门时各个端口的相位 仍n s 20翰n c 30仍n s 一昭n - c = 0 体0仇体0 一体 i p o r t3r d 32 n 3氕 0 p o r t 42 7 【3n 3n 3 3 o p o r t57 t 32 n 3n 3 3 1 0 表2 - 2 输出波导( 4 ) 为非门时各个端口的相位 访。= 0昭一。= 4 n 3 仍一。一竹一。= - 4 州3 体g e - j体0 一体1 j p o r t3丁c 32 冗3州3 3 1 0 p o r t42 7 t 35 n 3 一兀 0 p o n5州32 n一5 r c 3 3 i o 表2 3 输出波导( 5 ) 为非门时各个端口的相位 杯。= 0诈c = 2 7 t 3 9 i 。一9 。= - 2 n f 3 仕0仇0q g s - j 一仇0 i p o r t3n 3on 3 3 1 0 p o n 4 2 7 c 3 7 【一h i 3 3 1 0 p o r t5n 34 r # 3- 氕0 争帝健肿牡争先逻辑；! 件的i 小制 如果把表2 1 的仍。一c p , 。= 0 看作m 一仍。= 2 n ，那么每次从单模波导( 1 ) 输入 的控制光与从单模波导( 2 ) 输入的信号光之间的相位差变化均为2 n 3 。又若每 次引起相位差变化均是通过改变单模波导( 1 ) 的折射率，且每次折射率的变化 为幽= o 0 0 1 ( 相应的载流子浓度变化为a = 3 1 0 1 0 1 7e m - 3 ) ，那么就町以得出 单模l 和单模波导( 2 ) 的长度均为5 1 7i t m 。 2 3 2 模拟分析 我们采用束传播法在计算机模拟所设计的2 x 3 全光逻辑非门。为了与逻辑值 相对应，在后面的图表中，o ”代表没有光输n 输出，“1 ”代表有光的输入输出。 同时，为了更好检验我们设计的参数的优劣，在模拟过程中我们忽略了材料的散 射和吸收损耗。 图2 - 4 只有信号光输入时的光场分布图 图2 - 4 为只有信号光从单模波导( 2 ) 输入时的模拟光场分布图。可以看出， 信号光均匀地从三个输出端口( 单模波导( 3 、4 、5 ) ) 输出，也就是说当输入逻 辑值为“0 ”时，三个输出端i = 1 的逻辑状态均为“l ”。假设输入的信号光功率为p k = 1 0 0 ，则进一步的计算表明从单模波导( 3 、4 、5 ) 输出的归一化光功率为p 3 - 1 = 3 3 3 ，p 4 - l = 3 2 5 ，p 5 1 ；3 3 3 。定义插入损耗的计算公式为 李争健僻壤争光逻辑器件n 勺研制 其中p 。为总的输出光功率，p 。为总的输入光功率。则此时的插入损耗为 一10 1 0 9 , ( 1 ( p 3 1 + p 4 一l + p s l ) p i s 0 0 4d b 。 若从单模波导( 1 、同时输入控制光，且没有在单模波导( 1 ) 上施加电压时 ( 即施加电压v l = 0 ) ，从计算机模拟得到的光场分布如图2 - 5 ( a ) 所示。呵以看出， 单模波导( 3 ) 的输出逻辑值从没有控制光输入时的“1 ”变为现在的“o ”，而另外 两条单模输出波导( 4 ，5 ) 的逻辑值并没有发牛改变。也就是况在单模输出波导 ( 3 ) 实现了“非”操作。进一步计算i l 。得从单模波导( 3 、4 、5 ) 输出的光功率分 别为p 3 l 0 = o 3 ，p 4 = 4 9 7 ，p 5 = 4 9 4 ，此时器件的插入损耗为 1 0 l o g l o 【( p 3 一o + p 4 + p s ) ( p i 。+ p i 。) 】= o 0 3d b 。若再定义消光比为一1 0 1 0 9 j o ( p 3 - o p 3 - 】) ，则该情况下的单模输出波导( 3 ) 的消光比为2 0 4d b 。 若从单模波导( 1 ) 同时输入控制光，且在单模波导( 1 ) 上施加电压圪使 其折射率变化为a n l = o 0 0 2 时，从计算机模拟得到的光场分布如图2 - 5 ( b ) 所示。 和上面的分析类似，在输入控制逻辑值为“l ”时，单模波导( 4 ) 的输出逻辑值从 “1 ”变为“o ”，实现了“非”操作，而另外两条单模输出波导( 3 、5 ) 的逻辑值并没 有发生变化。该情况下从单模波导( 3 、4 、5 ) 输出的光功率分别为p 3 = 4 9 o ， p 4 o = 0 3 ，p 5 = 4 9 3 ，插入损耗为o 0 6d b ，单模输出波导4 的消光比为2 0 3d b 。 若从单模波导( 1 ) 同时输入控制光，且在单模波导( 1 ) 上施加电压巧使 其折射率变化为a n 2 = o 0 0 1 时，从计算机模拟得到的光场分布如图2 - 5 ( c ) 所示。 此时的输入控制逻辑值为“1 ”，单模波导( 5 ) 的输出逻辑值从1 变为0 ，实现 了“非”操作，而另外两条单模输出波导( 3 ，4 ) 的逻辑值并没有发生变化。进一 步计算可得从单模波导( 3 、4 、5 ) 输出的光功率分别为p 3 = 4 9 3 ，p 4 = 4 9 2 ， p 5 0 = o 5 ，插入损耗为0 0 4 d b ，单模输出波导( 5 ) 的消光比为1 8 2d b 。 争帝健斛皋争光逻辑器件的 l j 制 ( c ) 图2 5 不同折射率变化下，信号光和控制光同时输入的模拟光场分布图( a ) 拗 = o a n l = 0 0 0 2 ( c ) a n 2 = o 0 0 1 从上面的模拟分析可以看出，所设计的2 x 3 全光逻辑非门理论计算相符，同 时也符合我们的设计要求。其平均插入损耗为0 0 4d b ，平均消光比为1 9 6d b 。 通过对单模输入波导( 1 ) 施加不同的电压( n ，v 2 ，v 3 ) ，便可以改变非门的工作 李章 i =舴早辛光逻：f ： 惴件0 3 0 1 , l i 0 端口。表2 - 4 给m 了在小同折射率变化的情况下各个输出端u 所对应的逻辑值。 表2 - 4 不同折射率变化的情况下各个输出端i ：3 的逻辑值 2 4 3 3 多功能全光逻辑门 在上一节所设计的全光逻辑门虽然有三个逻辑输出端1 ：3 ，然而都只能作为 “非门”使用。另外，在切换工作端1 ：3 时，仍然需要电极来控制。多端口、多功能 的全光逻辑器件可以进一步提高集成光路的集成度，这样才能更适应全光器件的 小型化、高速化、集成化的发展。同时，采用s i 基材料制作的全光器件可以和 成熟的半导体加工工艺相兼容。本节是在第三节的基础上，进一步设计基于s i g e 材料的3 3 多功能全光逻辑门。 在本章的第一节中我们了解了有关s i g e 材料的其中一个特性等离子色 散效应。s i g e 材料还有另外一个特点，那就是可以按照下面的公式，通过调节 g e 在其中的组分来改变s i g e 材料的折射率j 。 ( n s i g e = , l s i + 0 1 8x ) ( 2 2 0 ) 式中x 为g e 所占的百分比。例如，当九= 1 5 5 岬时，a s i = 3 5 。若g e 的组分为 4 ，则s i g e 合金的折射率为3 5 0 7 ；若g e 的组分为2 ，则s i g e 合金的折射率 为3 5 0 4 。 1 8