BPSK光信号光子晶体全光逻辑器件的设计与性能优化

摘要

未来的通信网将朝着全光网络的目标发展。全光逻辑器件是用于全光寻址鉴别、光分组交换、光子运算等快速高容量全光信息处理中的重要组件。光子晶体器件的学术探索与运用为有朝一日实现大规模集成光路奠定了坚实的基础，光子晶体集成材料可以构建低功耗、强对比度、高传输率以及易于集成的全光逻辑器件。采用基于光相位调制的光信号可以提高光信道的波段利用率、延长传输距离。故而，对于光相位调制信号光子晶体全光逻辑器件的研究具有重要意义。本论文提出了多种适用于BPSK光信号的光子晶体全光逻辑器件结构，并对其进行了优化设计与性能分析。论文主要完成了以下工作。
　　(1)光相位调制信号全光XOR/XNOR逻辑门的设计与遗传算法在全光XOR/XNOR逻辑门优化和性能分析中的应用。使用C++语言编程将遗传算法引入光相位调制信号三角晶格结构的二维光子晶体全光XOR/XNOR逻辑门的性能优化中，通过迭代优化得到该逻辑门多模波导区域两端介质柱的半径r1最优值;提出光相位调制信号正方形晶格结构的全光XOR/XNOR逻辑门，并对其进行综合优化设计;通过MEEP软件包计算得到该逻辑门在整个C-Band(1530-1565nm)波段内XOR/XNOR操作的逻辑对比率始终大于15dB。
　　(2)光相位调制信号光子晶体全光AND、NOR、NOT逻辑门与半加器的设计优化与性能分析。利用光相位调制信号全光XOR/XNOR逻辑门，可以将相位信息转变为幅度信息的特性，将两个光相位调制信号全光XOR/XNOR逻辑门与一个光强度调制信号全光AND逻辑门级联组合，然后对该组合的结构进行优化设计与偏置信号变换，得到了适用于光相位调制信号的全光AND、NOR、NOT逻辑门及全光半加器。通过MEEP软件仿真得到的结果表明，在整个C-Band(1530-1565nm)波段内，光相位调制信号全光AND逻辑门、NOT逻辑门、NOR逻辑门和半加器的和数输出位S与进位输出位C，在执行相应逻辑操作时分别具有不低于22dB、11dB、17dB、10dB、13dB的逻辑对比率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究的背景与意义

1．2 光子晶体全光逻辑器件的国内国外研究现状

1．3 论文的主要研究内容和结构安排

2 光子晶体的理论基础

2．1 光子晶体简介

2．2 光子晶体多模波导的理论基础

2．2．1 导模传输分析法

2．2．2 光子晶体多模波导自映像效应

2．3 光子晶体仿真环境与仿真软件介绍

2．3．1 MEEP软件

2．3．2 Ubuntu操作系统

2．3．3 Scheme语言

2．4 本章小结

3 光相位调制信号全光XOR／XNOR逻辑门的设计与性能分析和优化

3．1 遗传算法

3．2 基于遗传算法的光相位调制信号全光XOR／XNOR逻辑门的优化设计

3．2．1 遗传算法基本操作

3．2．2 遗传算法用于光相位调制信号全光XOR／XNOR逻辑门的优化

3．3 基于遗传算法的光相位调制信号全光XOR／XNOR逻辑门的优化计算

3．4 正方形晶格光相位调制信号全光XOR／XNOR逻辑门的设计与优化

3．5 本章小结

4 光相位调制信号全光AND、NOR、NOT门和半加器的设计优化与性能分析

4．1 光子晶体光强度调制信号AND逻辑门

4．2 光相位调制信号全光AND、NOR、NOT逻辑门的设计与性能优化

4．2．1 光相位调制信号全光AND、NOR、NOT逻辑门的结构设计与优化

4．2．2 光相位调制信号全光AND、NOR、NOT逻辑门的输入／输出逻辑关系

4．2．3 光相位调制信号全光AND、NOR、NOT逻辑门的性能仿真

4．3 光相位调制信号光子晶体全光半加器的设计与性能优化

4．3．1 光相位调制信号全光半加器的结构设计与优化

4．3．2 光相位调制信号全光半加器输入／输出逻辑关系

4．3．3 光相位调制信号全光半加器的性能仿真

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢