硅基多缝纳米线定向耦合器光波特性的表征、模拟及其在全光逻辑门中的应用研究

摘要

全光逻辑门能够实现标签交换，数据编解码，奇偶校验，头识别，判决，解复用等重要的光信号处理功能，是构建未来高速大容量光网络、光子计算和全光信号处理的关键器件。定向耦合器作为一种非常重要的光学元件，可以应用于各种全光信号操作。本文提出了一种新颖的基于多缝纳米线定向耦合器的全光逻辑门设计，纳米线波导的缝区域填充有克尔非线性的材料。通过单个的光学定向耦合器结构就可以实现“非”，“或”和“与”逻辑门功能。
　　本文以三缝硅基纳米线的定向耦合器为研究对象，利用全矢量有限元法和全矢量束传播法对定向耦合器的光波特性进行了详细的分析，得出了线性情况下纳米线结构参数对于定向耦合器耦合长度影响，揭示了定向耦合器所承载模式的混合特性和模场分布特点。分析结果表明，通过合理的设计纳米线结构参数能够实现两偏振态下相同的耦合长度，定向耦合器在偏振无关条件下工作。除此之外，还研究了结构参数对于定向耦合器双折射特性和耦合效率的影响，为实际应用提供合理设计参数。
　　在线性分析的基础上，引入克尔非线性效应，分析了非线性硅基纳米线定向耦合器的导模特性。研究表明，通过优化设计参数，能够实现较小的有效面积，从而增强纳米线的克尔非线性效应。在确保线性情况下定向耦合器偏振无关的前提下，进一步分析了这种定向耦合器的非线性开关特性，对不同的光场模式在非线性定向耦合器中的传播情况进行了描述。
　　提出了利用单个三缝硅基纳米线构成的非线性定向耦合器实现了全光逻辑门，通过不同的偏振态的输入光信号和不同的输入输出端口的组合，验证了全光逻辑“与”、“或”、“非”门的操作机制。