高速硅基光邏輯門的研究.pdf

1、隨著人類對信息量的需求呈爆炸式增長，為了避免電子瓶頸，構(gòu)建全光通信網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。而光邏輯門作為其中的關(guān)鍵器件，在全光網(wǎng)絡(luò)中有著極其重要的作用。不過目前已經(jīng)出現(xiàn)的光邏輯門器件都或多或少存在著缺陷，比如:基于SOA(semiconductor optical amplifier)或者非線性光纖的光邏輯門都存在功率過高，響應(yīng)時間長或者集成度低等缺點。未來光纖通信的發(fā)展方向是高速率、高帶寬、低能耗、小型化，光邏輯門作為光通信系統(tǒng)中不可或缺的組成

2、部分，也必須滿足高消光比、高調(diào)制器速率、寬調(diào)制帶寬、低插入損耗、低能量損耗、小尺寸、易于集成等苛刻要求。本文的研究工作主要圍繞高速的硅基光邏輯門器件開展。
　　本文首先基于介質(zhì)平板波導(dǎo)理論、熱光效應(yīng)及調(diào)制器的工作原理等理論設(shè)計出了一種硅基襯底上的聚合物熱光或非(NOR)邏輯門。模擬結(jié)果顯示，利用聚合物較大的熱光系數(shù)及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，熱光邏輯門的功耗為6 mW，器件的全部尺寸約為300 mm2。然后利用旋轉(zhuǎn)涂覆、真空鍍膜、接觸曝

3、光、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、切割拋光等工藝，在實驗上成功制備出了聚合物熱光邏輯門芯片。測試結(jié)果表明，測得其功耗為28.2 mW，插損為20.8 dB，上升響應(yīng)和下降響應(yīng)時間分別為400μs和550μs。從響應(yīng)特性來看，測試結(jié)果初步驗證了設(shè)計思想。
　　為了進一步改善器件的功耗、尺寸和響應(yīng)速度等特性，本文進而提出了一種基于絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator, SOI)的緊湊型電光NOR邏輯門器件。利用SOI波導(dǎo)對光

4、的強束縛特性，器件的尺寸僅為90μm2。由模擬結(jié)果可知，該器件的驅(qū)動電壓為1.8V，功耗為6.66 mW，在1550nm的入射光情況下，其耦合調(diào)制區(qū)可以實現(xiàn)99％的耦合效率，還能獲得21.8 dB的消光比。同時器件的響應(yīng)速度極高，可以實現(xiàn)3 ns的上升響應(yīng)時間與1.5 ns的下降響應(yīng)時間。分析闡明，這種新型結(jié)構(gòu)的數(shù)字型SOI基電光邏輯門同時具備低功耗、高集成度、低插損、高速響應(yīng)、低驅(qū)動電壓等優(yōu)點，完全可以滿足下一代集成計算機復(fù)用處理器芯

5、片的要求。
　　為了更進一步的提高邏輯門的響應(yīng)特性，本文在最后嘗試性的將石墨烯薄膜材料與SOI材料相結(jié)合，利用石墨烯的高電致吸收特性，設(shè)計出一種基于單一結(jié)構(gòu)的石墨烯雙邏輯門器件。該器件在繼承了SOI低損耗，集成度高等優(yōu)點的同時，還具備石墨烯對TM模式的強電致吸收特性。在1550nm的入射光的情況下，可以達到43.67 dB的消光比。雖然在尺寸方面有所增大，大約在200μm2，但是其消光比、響應(yīng)特性都得到了明顯提升。模擬結(jié)果表明，基