基于硅基纳米线波导微环谐振器的异或/同或光学逻辑运算单元及其阵列

本申请拟采用一种近年来被广泛研究的硅基集成光学器件-微环谐振器来实现异或及同或光学逻辑运算,利用硅基纳米线波导来制作微环谐振器,并通过三维时域有限差分法模拟不同波导结构的偏振特性,采用多模干涉缓变结构减小交叉节点的损耗和串扰, 在纳米线波导输入输出端设计新型倒锥波导耦合结构降低耦合损耗。利用硅的等离子体色散效应进行调谐，通过优化引线和电极结构、减小电极和波导间隔、减小谐振波长与激光器波长的偏移量等手段降低微环的静态功耗，通过减小3dB带宽等手段降低微环的动态功耗和串扰。通过上述方式实现异或/同或光学逻辑运算单元及其阵列的工艺制作。..本课题中基于硅基微环谐振器的异或/同或光学逻辑运算单元，制造工艺与现有微电子CMOS工艺兼容，器件体积小、功耗低、易扩展，克服了传统逻辑运算单元中各种非线性光学元件体积过大的不足，易于和电学元件实现芯片尺度上的硅基集成。

光学导向逻辑的概念由美国科学家Hardy和以色列科学家Shamir在2007年共同提出， 目前有美国空军实验室、莱斯大学、菲斯克大学、以色列理工学院等研究机构从事相关研究。与传统光学逻辑不同，光学导向逻辑的实现依赖于光开关网络，网络中开关单元相互独立，逻辑运算结果以光速在网络中传递，因而计算速度大大加快。此外，光学导向逻辑器件不依赖光学非线性效应，因而不需要强光输入，易于实现器件的级联从而构成复杂的逻辑回路。光学导向逻辑器件因其本征的低延迟与高速特性，有望在雷达信号处理等对数据量巨大、实时性要求高的领域获得应用。.本研究小组于2010年开始从事基于硅基纳米线波导的集成化光学导向逻辑器件的研究。在研究过程中，我们结合自身研究基础与技术优势，在国际上首次提出并实现了基于硅基纳米线波导微环谐振器的异或/同或光学导向逻辑运算器件。这是导向逻辑的原理及概念自2007年被提出以来的首次实验验证。本研究小组从最初的低速、单端口原理验证，到最终实现高速、双端口器件演示，最终完成了项目既定任务。.本项目取得的具体研究成果如下：.（1）通过器件结构设计与工艺优化，研制出了传输损耗为0.22 dB/mm的硅基纳米线波导，其与光纤的耦合损耗为2.1 dB/每端面；.（2）通过一系列不同几何参数的器件设计，建立了硅基纳米线波导微环谐振器的性能指标与结构参数的数据库，可实现品质因子在1,000到55,000范围的变化；.（3）摸索出了热电混合的加工工艺，通过利用热光效以补偿由于工艺误差引起的谐振波长偏移，通过掺杂来利用等离子色散效应效以实现光开关单元状态的高速切换；.（4）利用上述无源器件结构和热光补偿、电光调制部件，实现了工作速度为100 Mbit/s的异或/同或导向逻辑器件，并系统地分析了器件输出端口的响应光谱随器件两相移臂臂长差的演化规律。.经过三年的研究，本项目各项任务指标已圆满完成。在本课题的支持下，共发表6篇SCI收录的期刊文章，及2篇EI收录的国际会议报告。共申请6项中国发明专利，其中3项申请获得授权。