北理工課題組在拓撲保護的全光邏輯門研究方面取得重要進展
發布日期：2023-05-04 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院張向東教授課題組基于谷光子晶體結構，實驗實現了拓撲保護的全光邏輯門。相關成果以“Experimental Realization of Topologically-Protected All-Optical Logic Gates Based on Silicon Photonic Crystal Slabs”為題發表在Laser & Photonics Reviews 期刊(Laser Photonics Rev. 2023, 2200329)上。該工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的大力支持。北京理工大學物理學院博士生張福榮、何路為該論文的共同第一作者，北京理工大學物理學院張向東教授、張慧珍副研究員為論文共同通訊作者。另外，北京理工大學孔令軍特聘研究員和中科院半導體所許興勝研究員也參與了部分實驗工作。
全光邏輯門在全光網絡、信號處理和光計算等領域有著廣泛的應用。傳統的全光邏輯門由非線性光纖和半導體光放大器構成。然而，這些傳統的儀器體積太大，無法集成。為了實現全光計算，人們希望在芯片上制造集成緊湊的全光邏輯門。為了獲得片上邏輯器件，近幾十年來人們采用了各種方法，如利用等離激元、光子晶體、介質波導等。其中，等離激元邏輯門雖然體積小，但是光損耗過大。相比之下，制備在SOI(silicon on insulator)芯片上的光學器件通常具有較小的損耗。雖然基于SOI芯片的全光邏輯門具有損耗小優勢，但這些邏輯門容易受到無序擾動的影響。在復雜環境下，擾動會極大地降低邏輯門的性能和效率。因此，在光計算領域中，如何構造出低損耗的魯棒邏輯器件是十分重要的研究課題。
另一方面，拓撲光子學因其魯棒的光傳輸性質而受到廣泛關注。即使存在一定的擾動，依然會呈現出單向傳播的特征，這是由于其具有拓撲保護的性質。將拓撲光子學與邏輯門的設計相結合有望解決上述問題。特別是拓撲谷光子晶體，由于其高耦合效率，顯示了其構建集成光學邏輯芯片的可行性。在前期的研究中研究人員已經提出了拓撲保護全光邏輯門的理論方案(參見Opt. Express 28, 34015-34023)。該理論方案指出，通過CMOS兼容的硅光工藝，可以實現任意比例的分束器和所有全光邏輯門。研究人員通過實驗實現了這一理論方案，并取得了領先的邏輯門性能。
研究人員首先基于谷光子晶體設計了ABC-型和CBA-型超胞結構，并研究了其能帶結構(如圖1所示)。拓撲保護的光信號可以在邊緣態中傳播。在這種拓撲邊緣態中，光傳輸模式具有明顯的優勢，即能夠克服彎曲或變形等缺陷的影響。研究人員基于線性干涉效應，使用拓撲保護的ABC-型邊緣態設計并制備了XOR和OR門邏輯芯片。如圖2a所示，當輸入信號A和輸入信號B同時進入邏輯門時，兩個輸入信號會傳播到輸出端口并相互干涉。若輸入A與輸入B相位差調整為Δ??= 0 (Δ??="??)，則輸出端口發生相消(相長)干涉，如果輸入A和輸入B只有一個開啟，則輸出信號非零。如果輸入A和輸入B都關閉，輸出端口的光束強度為零，在滿足了XOR(OR)門的邏輯操作。理論(圖2b)和實驗(圖2c)結果表明兩者具有較好的一致性。在通信頻段(1480-1580" nm)內，工作帶寬約為100 nm(ER>22 dB)。最大消光比為33.83 dB，遠高于前人的實驗結果。這意味著XOR和OR門在實驗中表現出了良好的性能。
圖1. 拓撲谷光子晶體
圖2. 拓撲保護的XOR和OR門
除了拓撲保護的XOR和OR門，研究人員進一步設計并制備了級聯的XNOR、NAND和NOR門。該結構是由兩個OR和XOR門級聯構成的，如圖3a所示。對于XNOR門，輸入A和B之間的相位差被設置為Δ??=??。因此，干涉相長現象使得邏輯信號從右邏輯單元傳播到左邏輯單元。同時偏置光始終開啟，其場幅值是輸入A的
倍。當其中一個輸入信號(輸入A和輸入B)開啟時，輸出端口發生干涉相消現象，輸出信號為0。對于其他輸入狀態(輸入信號都開啟或關閉)，輸出幅度不為零，對應邏輯輸出信號為1。消光比的實驗和模擬結果分別如圖3b和3c所示。實驗結果表明，在1480-1580 nm的通信頻段內，工作帶寬約為100 nm (ER>20 dB)，最大消光比達到25.72 dB。理論和實驗結果均表明，XNOR門具有良好的效率。使用同樣的方式，研究人員分別實現了NAND(偏置光的振幅是輸入A(B)的2倍), NOR(偏置光的振幅為輸入A(B)處振幅的0.75
倍)門，實驗結果與相應的仿真結果均有很好的一致性。
AND門可由NAND門和NOT門構成。如圖4a所示。偏置光1和偏置光2的振幅分別設為輸入A振幅的
和0.75倍，仿真和實驗結果如圖4b和4c所示。
圖3. XNOR, NAND 和 NOR門
圖4. AND門
為了進一步實驗證明所制備邏輯器件的魯棒性，研究人員制備了具有三種缺陷的邏輯單元(XOR和OR門)，如圖5a的SEM圖像所示。三個紅色圓圈標記了三種不同類型的缺陷。實驗結果(圖5b)表明，這些器件在具有無序擾動的情況下依舊可以保持很高的消光比。
圖5. 帶缺陷的XOR和OR門
研究團隊基于SOI芯片設計并制備了具有拓撲保護功能的全光邏輯門。實驗表明，所有拓撲保護邏輯門(OR、XOR、NOT、XNOR、NAND、NOR和AND) 具有低損耗和消光比的性質。拓撲保護的全光邏輯門可以在存在無序擾動的情況下正常工作，具有較強的魯棒性。此工作首次在基于SOI芯片的二維光子晶體板上實驗實現了具有拓撲保護的邏輯器件。該研究成果是邏輯器件和拓撲結構研究領域的重要進展，拓撲保護的全光邏輯門在未來光計算領域具有廣泛的應用前景。
論文鏈接1：https://doi.org/10.1002/lpor.202200329
論文鏈接2：https://doi.org/10.1364/OE.409265
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