【摘 要】
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随着集成电路集成度的提升,工艺制程逐渐接近物理极限。为了解决随之而来的电互连功耗、延时、带宽等问题,光互连应运而生。光逻辑器件作为光互连的关键器件之一,而如何实现高速、高消光比、低能耗、可集成的光逻辑器件成为了关键问题。本文围绕着石墨烯-硅混合波导,并结合2×2 Mach-Zehnder干涉结构和多模干涉耦合器,研究三种具有不同逻辑功能基于石墨烯-硅混合波导Mach-Zehnder结构的电光逻辑器
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随着集成电路集成度的提升,工艺制程逐渐接近物理极限。为了解决随之而来的电互连功耗、延时、带宽等问题,光互连应运而生。光逻辑器件作为光互连的关键器件之一,而如何实现高速、高消光比、低能耗、可集成的光逻辑器件成为了关键问题。本文围绕着石墨烯-硅混合波导,并结合2×2 Mach-Zehnder干涉结构和多模干涉耦合器,研究三种具有不同逻辑功能基于石墨烯-硅混合波导Mach-Zehnder结构的电光逻辑器件。其主要研究内容如下:1、基于石墨烯-硅混合波导Mach-Zehnder结构的电光半加器设计:提出石墨烯-二氧化铪-石墨烯-硅波导结构,通过改变石墨烯的化学势,实现基于石墨烯-二氧化铪-石墨烯-硅波导结构的MachZehnder光开关的高速切换,并利用基于石墨烯-二氧化铪-石墨烯-硅波导结构的Mach-Zehnder光开关相级联,实现半加器的逻辑功能。所设计的光开关在波长1520nm至1600nm范围内,光开关的串扰小于-21.57d B,插入损耗小于0.109d B。而所设计电光半加器的最差消光比为41.05d B。2、基于石墨烯-硅混合波导Mach-Zehnder结构的电光三人表决器设计:提出石墨烯-二氧化硅-石墨烯-硅波导结构,通过外加电压改变石墨烯的化学势用以调节石墨烯-二氧化硅-石墨烯-硅波导的等效折射率,高速切换基于石墨烯-二氧化硅-石墨烯-硅波导结构的Mach-Zehnder光开关状态,并利用基于石墨烯-二氧化硅-石墨烯-硅波导结构的Mach-Zehnder光开关和2×1多模干涉耦合器相级联,实现电光三人表决器逻辑功能。所设计电光三人表决器的3-d B带宽为30.6GHz,功耗为10.29p J/bit,最差消光比为26.1d B。3、基于石墨烯-硅混合波导Mach-Zehnder结构的电光Toffoli门设计:提出石墨烯-氮化硅-石墨烯-硅波导结构,通过调谐石墨烯的化学势,控制基于石墨烯-氮化硅-石墨烯-硅波导结构的MachZehnder光开关输出状态,并利用基于石墨烯-氮化硅-石墨烯-硅波导结构的Mach-Zehnder光开关、2×1多模干涉耦合器以及1×2多模干涉耦合器相级联,实现高速电光Toffoli门。所设计电光Toffoli门的3-d B带宽为13.92GHz,能耗为6.6p J/bit,最差消光比为15.6d B。
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