基于鈮酸鋰光子晶體微腔的全光邏輯門和半加器

  邏輯門是執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯運算的電路，任何復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(fā)展。全光邏輯門器件是用于全光尋址鑒別、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采用波導光纖制作，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硅基光子晶體材料上設計和集成的。然而，硅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，導致硅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(fā)集成光子芯片的理想材料。基于鈮酸鋰光學平臺開發(fā)全光邏輯門對構建集成光子芯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缺陷波導的雙光干涉過程，和鈮酸鋰光子晶體L2缺陷微腔對波導導光的影響。隨后，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?；谏鲜龌A邏輯門器件，該課題組設計了全光半加器的結構，成功實現(xiàn)了邏輯運算的基本功能。相關研究結果發(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構示意圖

  該研究團隊的陳玉萍教授指出：“這項工作為未來基于鈮酸鋰薄膜(LNOI)材料上全光水平的光子計算提供了一個高效的實現(xiàn)方案。后續(xù)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制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?！?