基于鈮酸鋰光子晶體微腔的全光邏輯門(mén)和半加器

  邏輯門(mén)是執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯運(yùn)算的電路，任何復(fù)雜的邏輯電路都可由這些邏輯門(mén)組成。未來(lái)的通信網(wǎng)將朝著全光網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)發(fā)展。全光邏輯門(mén)器件是用于全光尋址鑒別、光分組交換、光子運(yùn)算等快速高容量全光信息處理的重要組件。目前全光邏輯門(mén)主要采用波導(dǎo)光纖制作，難以集成在小型集成芯片上。

  光子晶體中的缺陷波導(dǎo)具有尺寸小、控光能力強(qiáng)的特性，使其成為設(shè)計(jì)小型化光邏輯門(mén)的關(guān)鍵方法。到目前為止，全光邏輯門(mén)大多是在硅基光子晶體材料上設(shè)計(jì)和集成的。然而，硅的雙光子吸收和三階非線性效應(yīng)會(huì)引起非線性損耗和信號(hào)串?dāng)_，導(dǎo)致硅邏輯門(mén)的消光比較低。鈮酸鋰具有獨(dú)特的電光、聲光、壓電等物理特性，是未來(lái)開(kāi)發(fā)集成光子芯片的理想材料。基于鈮酸鋰光學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)全光邏輯門(mén)對(duì)構(gòu)建集成光子芯片和全光網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

  上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰、陳玉萍課題組基于柱形二維鈮酸鋰光子晶體，研究了鈮酸鋰光子晶體W1缺陷波導(dǎo)的雙光干涉過(guò)程，和鈮酸鋰光子晶體L2缺陷微腔對(duì)波導(dǎo)導(dǎo)光的影響。隨后，該課題組提出了一種結(jié)合二維光子晶體缺陷波導(dǎo)和光子晶體缺陷微腔的全光邏輯門(mén)的新型設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的全光邏輯門(mén)的消光比最高能達(dá)到23 dB。基于上述基礎(chǔ)邏輯門(mén)器件，該課題組設(shè)計(jì)了全光半加器的結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算的基本功能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Chinese Optics Letters 2019年第17卷第7期(Chenghao Lu et al., All-optical logic gates and a half-adder based on lithium niobate photonic crystal micro-cavities )。

鈮酸鋰光子晶體中全光半加器的結(jié)構(gòu)示意圖

  該研究團(tuán)隊(duì)的陳玉萍教授指出：“這項(xiàng)工作為未來(lái)基于鈮酸鋰薄膜(LNOI)材料上全光水平的光子計(jì)算提供了一個(gè)高效的實(shí)現(xiàn)方案。后續(xù)工作主要是在鈮酸鋰薄膜中設(shè)計(jì)新型全光邏輯門(mén)和加、減法器結(jié)構(gòu)，同時(shí)尋找合適的加工方法制作該鈮酸鋰光子晶體結(jié)構(gòu)，為未來(lái)片上全光計(jì)算的應(yīng)用集成奠定基礎(chǔ)?！?