封面 | 基於鈮酸鋰光子晶體微腔的全光邏輯門和半加器

2021-02-19 中國雷射

邏輯門是執行「或」、「與」、「非」、「或非」、「與非」等邏輯運算的電路，任何複雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。未來的通信網將朝著全光網絡的目標發展。全光邏輯門器件是用於全光尋址鑑別、光分組交換、光子運算等快速高容量全光信息處理的重要組件。目前全光邏輯門主要採用波導光纖製作，難以集成在小型集成晶片上。

光子晶體中的缺陷波導具有尺寸小、控光能力強的特性，使其成為設計小型化光邏輯門的關鍵方法。到目前為止，全光邏輯門大多是在矽基光子晶體材料上設計和集成的。然而，矽的雙光子吸收和三階非線性效應會引起非線性損耗和信號串擾，導致矽邏輯門的消光比較低。鈮酸鋰具有獨特的電光、聲光、壓電等物理特性，是未來開發集成光子晶片的理想材料。基於鈮酸鋰光學平臺開發全光邏輯門對構建集成光子晶片和全光網絡具有重要意義。

上海交通大學陳險峰、陳玉萍課題組基於柱形二維鈮酸鋰光子晶體，研究了鈮酸鋰光子晶體W1缺陷波導的雙光幹涉過程，和鈮酸鋰光子晶體L2缺陷微腔對波導導光的影響。隨後，該課題組提出了一種結合二維光子晶體缺陷波導和光子晶體缺陷微腔的全光邏輯門的新型設計。所設計的全光邏輯門的消光比最高能達到23 dB。基於上述基礎邏輯門器件，該課題組設計了全光半加器的結構，成功實現了邏輯運算的基本功能。相關研究結果發表於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 )。

該研究團隊的陳玉萍教授指出：「這項工作為未來基於鈮酸鋰薄膜（LNOI）材料上全光水平的光子計算提供了一個高效的實現方案。後續工作主要是在鈮酸鋰薄膜中設計新型全光邏輯門和加、減法器結構，同時尋找合適的加工方法製作該鈮酸鋰光子晶體結構，為未來片上全光計算的應用集成奠定基礎。」

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