基于光子晶体的全光逻辑器件的性能分析与优化设计

发布时间：2021-06-08 20:11

　　全光逻辑门在全光信号处理、光子计算和全光网络中具有广阔的应用前景。光子晶体作为一种新型的具有光子带隙特性的人工电磁材料,具有体积小、易于集成、抑制自发辐射噪声等优点。基于光子晶体的光子器件,尺寸可缩小至光波长量级,功耗低、且易于集成。因此,研究基于光子晶体的全光集成逻辑门的设计及其应用具有重要意义。本文对基于光子晶体的全光逻辑器件的设计与性能优化进行了研究,主要完成如下工作。（1）研究了用于光强度信号的基于光子晶体的全光逻辑门的设计和性能优化。通过在方形晶格的理想二维光子晶体中波导的拐角区域引入Kerr非线性材料,基于光控光原理实现了一种适用于光强度信号的全光AND逻辑门,利用仿真软件分析了不同工作频率下的功率阈值,确定了全光AND逻辑门的器件阈值,得到了逻辑门在C-Band（1530-1565nm）带宽内的性能。该全光AND逻辑门在整个C-Band带宽内的逻辑1和逻辑0的输出光功率对比率不低于20dB。进而设计了两个全光AND逻辑门的级联结构,并通过仿真确定了该器件的阈值,得到了较好的性能,从而证明了多个AND逻辑门进行级联的可行性。但仿真结果也表明,全光AND逻辑门的级联会带来器件... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：66 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

光子晶体结构的模型示意图

2. 2.1光子带隙光子带隙，又称光子禁带，是光子晶体最基本的特征。图2-2是光子带隙的示意图。光子晶体在光子带隙内没有光子态存在，因此频率落在光子带隙中的光波被禁止在光子晶体中传播。光子能带则是光波在光子晶体中传播时受到调制而产生的能带结构。图2-2中的一条条曲线就是一种理想二维光子晶体的光子能带。在二维光子晶体中，光子晶体的能带曲线分为TE光子能带和TM光子能带两种，分别对应于TE模式和TM模式的光波。同理，光子带隙也分为TE光子带隙和TM光子带隙两种，图2-2中的光子带隙-5 -

处的光则被局域在缺陷位置，使得光子带隙中产生导模，这就是光子局域化现象。光子晶体中的缺陷按照特性和形状的不同可分为点缺陷、线缺陷两种，如图2-3所示。OOOOCOOOOOOOOO 00000000000000OOOQOGOOOOQOO 0000000000000OOOOCOOOOOOOOO OOOOOOOOOCOOOOOOCOOOOOOOOOO 0000000000000OOOOOOOOOOOOOC OOOOOOOOQOOOOO0000000000000 0000000000000OOOOOOCJ^OOOOOO O O O O (3 O O 0 C B o o eOOOOOC 蠡 OOOOOO 秦 ^ 鋒’?翁撃 # 'IOOOQOO^OOOOOOO OO0QQOBOQQQOO<^ooooooooooooo oooooooooooooOOOOOOOOOCOOOO ooooooooooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooooooooooo ooooooooooooooooooooooooooo oooooooooooooOOOOOOOOOOOOOC oooooooooooooo(a)点缺陷 （b)线缺陷图2-3光子晶体中的光子局域示意图Fig. 2.3 Photon localization in photonic crystals点缺陷可以将特定频率的光子局域在缺陷位置，使得光不能从任何一个方向上向外传播，此时，点缺陷就相当于微腔，如图2-3(a)所示。光子晶体微腔的用途很多，可用于设计谐振腔、光开关、滤波器等。图2-3(b)中所示为光子晶体的线缺陷结构，光子晶体中的线缺陷能够使得特定频率范围内的光局域在线缺陷的位置，从而只能沿着线缺陷的方向传播。通常，光子晶体的线缺陷被用来制作成各种光子晶体波导。与基于全内反射机制传输光波的传统波导相比，光子晶体对光子的局域化作用对控制光的传输更加有效、灵活

【参考文献】：
期刊论文
[1]用特征矩阵法计算光子晶体的带隙结构[J]. 王辉,李永平.  物理学报. 2001(11)



本文编号：3219123