水平多缝硅基纳米线Kerr非线性效应及其在全光逻辑门中的应用研究

提出一种以硅纳米晶体填充的水平多缝硅基纳米线，将光场集中分布在纳米尺度的缝隙区，极大增强其Kerr非线性效应，由此构建一类新颖的全光逻辑门，由单一定向耦合器实现全光"非"、"或"及"与"门逻辑功能。提出高效率、高精度分析纳米尺度全光逻辑门的数理模型并研制相应的CAD软件模块，深入分析水平多缝硅基纳米线的Kerr效应，揭示其与材料结构成份、纳米线波导结构、输入光功率及偏振态的关系，使缝区的光功率最大、有效面积最小，获得最优kerr效应；研究纳米线定向耦合器的线性及非线性开关特性，重点分析其开关特性与输入光功率与偏振态的关系；在此基础上，选择恰当的偏振态作为控制/信号光，并确定逻辑输入/输端口，实现结构简单、操控性好、光功率阈值低及易于级联的全光逻辑门，并给出关键设计参数的制作容差；在理论分析的基础上，依托国内标准CMOS工艺线，试制器件样品并测试其性能。

本课题提出一种以硅纳米晶体填充的水平多缝硅基纳米线，将光场集中分布在纳米尺度的缝隙区，极大增强其Kerr非线性效应，由此构建一类新颖的全光逻辑门，由单一定向耦合器实现全光“非”、“或”及“与”门逻辑功能。建立了全矢量有限元法、全矢量多区域伪谱法、全矢量改进有限差分数理模型，结合课题组前期提出的三维全矢量有限差分书传播法，研制了分析微米、亚微米、纳米尺度直/弯曲/各向异性光波导全矢量线性/Kerr非线性模式特性及光波传输特性的CAD软件模块；由此，深入分析了矩形/梯形截面水平/垂直多缝硅基纳米线材料参数、结构参数及工作波长对其线性/非线性全矢量模式特性的影响，给出了优化参数；深入分析了水平/垂直硅基纳米线定向耦合器的线性及非线性开关特性，揭示了其开关特性与输入光功率与偏振态的关系；在此基础上，选择恰当的偏振态作为控制/信号光，并确定逻辑输入/输端口，实现结构简单、操控性好、光功率阈值低的定向耦合器型全光逻辑“非”、“或”及“与”门，并给出了各“门”的真值表及光场传输分布；提出并设计了一类由多缝/常规硅基纳米线构建的三/两波导定向耦合器型模式分离器，具有器件结构紧凑及串音低等优点；提出并是设计了一种由缝/常规硅基纳米线模式转换器及多模干涉波导构成的缝式硅基纳米线十字交叉器，具有传输效率高、串音低、结构紧凑等优点；基于单镜头多角度高倍率机器视觉系统，通过三维图像重构改进型光度立体算法，建立了纳米尺度硅基光子器件芯片耦合测试平台，正在试制器件样品。依托本课题，培养或正在培养博士研究生1名、硕士研究生7名（其中已毕业4名、硕博连读生1名），在国际/内核心期刊及国际会议发表论文14篇，其中SCI收录10篇，EI收录12篇，ISTP收录4篇，已投寄期刊论文3篇（SCI收录源），申请国家发明专利3件，授权实用新型专利2件；出国参加国际学术会议3次4人。

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