基于铌酸锂的多操作比特电路

基于铌酸锂波导的多操作位操作逻辑电路的设计与建模

1 引言

随着通信领域对更高带宽的巨大需求不断增加，光子学领域的研究在过去十年中呈指数级增长[1–6]。高速计算器件的设计已成为当务之急。在这方面，电光通信凭借超快光学计算设备[3, 5, 7]，已成为高速通信解决方案中的有力竞争者。它能够提供全面的解决方案，因为它具有高性能高速通信，保障数据安全，并最大限度地减少信道损耗。

除了高速之外，它还具有诸多优点，如更高的效率、更高的品质因数、抗电磁干扰、并行计算以及更低的误码概率等[5, 8, 9]。光子设计可实现约100 Gbps的传输速度，且随着设计日新月异地发展，速度必将进一步提升 [10–13]。未来的光微处理器系统将利用此类光学单元。

上述因素明确表明，6G的实现不会延迟太久[14, 15]。上述组件的实现采用了半导体光放大器马赫‐曾德尔干涉仪（SOA‐MZI）[3, 16, 17],、环形谐振器[18, 19],、太短（TOAD）[20, 21],以及法布里‐珀罗干涉仪。部分前述组件的设计中使用了掺铒光纤放大器。在高频条件下，SOA‐MZI复用器会受到增益饱和的影响，从而降低运行速度。TOAD存在往返延迟，限制了器件速度。由于法布里‐珀罗器件需要大量光源，因此结构更为复杂。基于非线性材料的器件性能特征包括消光比（ER）低、插入损耗（IL）高和对比度（CR）低。基于电光效应（EO）的器件已被证明更适用于提升器件性能并消除限制。由于铌酸锂（LiNbO3）具有较高的电光系数，因此被选用于器件设计[22–26]。基于非线性材料的器件性能参数较差，如消光比低、插入损耗高和对比度低[27, 28]。其他材料如砷化镓、钛酸钡和铌酸钡也可使用，但其电光系数低于铌酸锂。LN‐MZI的其他显著特性包括热稳定性、低延迟、可重构性和低功耗。上述每种开关技术都有其优缺点，因而会在不同环境中表现出各异的性能。为了改善器件在消光比、对比度和插入损耗方面的性能，进而消除现有局限，采用基于电光效应的器件是合适的选择。

使用高电光系数的铌酸锂设计的LN‐MZI，在所提及的开关技术中表现最佳[22, 23, 29, 30]。

在本研究中，设计了一种基于LN‐MZI的比特操作器。所提出的4位比特操作器设计基于材料折射率随施加的电信号变化而产生的偏差。使用传统数字电子元件设计的比特操作器电路存在带宽较低、高功耗、老化效应、电磁干扰和环境问题[1, 31, 32]。

本文提出的设计适用于4位二进制数，能够执行二进制移位器、比特旋转器、乘以2和除以2的多种操作，并可作为二进制序列设计者。作为比特移位器，该设计实现双向比特移位，即可在控制下将输入数据向左或右方向移动。同时，作为旋转器，双向移位以循环方式进行。该设计可将输入的二进制数乘以2，适用于0000–0111范围内的数；并可对所有4位数进行除以2操作，结果为商。详细操作将在后续各节中说明。

本工作按节进行组织：第2节解释了提出的工作的基本原理；第3节描述了比特操作器的逻辑设计；第4节介绍了所提出的电光设计及其实现；第5节展示了结果及性能的后续分析；第6节描述了所提出器件的fabrication技术；第7节最后给出了研究结论。

2 工作原理

马赫‐曾德尔干涉仪可被描述为一种可通过低电压电信号控制的光开关。该LN‐MZI开关采用基于钛扩散铌酸锂（Ti:LiNbO3）的波导[33]。输入臂接入一个1毫瓦连续波（CW）信号，该信号通过3 dB定向耦合器后等分进入两个线性波导臂。在其中一个臂中，连续波信号的相位会因施加在第二电极E2上的电信号幅度（0 V/6.75 V）而发生改变（图1）。另外两个电极E1和E3保持接地。当所加二进制信号为逻辑高电平（6.75 V）时，输出信号出现在直通端口[34]；否则，信号出现在交叉端口（表1）。

光信号相位变化的原因是一种电光效应，即众所周知的泡克尔斯效应[22, 35]。波导材料具有较高的电光系数 ∼30.8×10⁻¹² m/V。由于相位偏移，波导的折射率随之发生变化。Ti:LiNbO3材料中钛的折射率变化引起了相位偏移。在电极[22]之间夹持的两个线性波导中传输的信号之间。该设计中的电介质材料为空气，其折射率为1，而LiNbO3基底的折射率为2.23。

两个输出端口的归一化功率表达式为：

$$
P_{BAR} = \sin^2\left(\frac{\Delta\phi_M}{2}\right) \quad (1)
$$

$$
P_{CROSS} = \cos^2\left(\frac{\Delta\phi_M}{2}\right) \quad (2)
$$

其中 $\Delta\phi_M$ 是 LN‐MZI M 输入端口和输出端口的相位变化。

3 4位比特操作器的逻辑设计

比特操作器的操作可以在图2中理解。任何4位数都可以作为主输入A₀A₁A₂A₃输入。提供两个串行输入IR和IL。当比特操作器作为二进制移位器运行时，例如右移，所有位都移动到下一个位置，最后一位丢失，而第一位取IR的值（默认设置为0）。在相同配置下，如果将IR设置为最低有效位（LSB）的先前值，则该设计作为顺时针比特旋转器（循环移位器）工作。类似地，通过将IL设置为先前的最高有效位（MSB）值，可实现逆时针比特旋转器。

同样，如果将IR设置为0，则左移操作等同于乘以2。由于输入和输出大小限制为四位，因此倍增操作仅限于输入值范围0000–0111。超出此范围的任何数字都将产生无效结果。

通过提供一个额外的输出位，可以改进设计。使用IL= 0的左移操作起到除以2的作用。输出结果为4位商值。图2解释了右移和左移操作的概念。

待实现的比特操作器设计的逻辑设计如图3[36]所示。

4位比特操作器由四个 2 × 1多路复用器组成，根据施加在选择线S上的信号，可执行右移和左移操作。该比特操作器提供二进制输入A₀, A₁, A₂, 和A₃,，多路复用器的输出分别为H₀, H₁, H₂, 和H₃。该电路以串行输入IR和IL作为输入。如果S的值等于零，则执行右移操作；当S等于一时，则执行左移操作，如本节前面所述。

为进一步操作，为便于设计，将IR和IL设为零。可根据需要随时选择任意位值作为IR或IL。

4 电光LN‐MZI设计与实现

根据第2节中解释的LN‐MZI原理，可以设计多种逻辑器件。此处已解释了一种简单的 2× 1多路复用器[37]。

该单个单元用作2×1复用器（图4）。选择线S施加在LN‐MZI M1上，输入数据I₁和I₂分别施加在标记为 M2和M3的LN‐MZI上。施加在选择线S上的信号决定要选择并转发到输出端口H₀的数据（I₁或I₂）。假设选择线 S为= 1，施加在M1第一端口的连续波信号将通过干涉仪波导传播，并到达其直通端口，该端口进一步连接至 M2。设二进制输入I₁等于零，则光信号将传输至M2对角方向的交叉端口，因此H₀等于零；若二进制输入I₁等于一，则光信号将直线传播并到达M2的直通端口，使得 H₀变为一。作为第二种情况，当选择线S为= 0时，连续波光信号在干涉仪臂中经历相位偏移，并传输至对角方向的端口，进而引导至M3的输入端口。此外，由于设计是对称的，I₂= 0将使H₀为零，而I₂= 1将使H₀= 1为一。

通过这种方式，这一简单设计实现了 2 × 1复用器功能，其中S为选择线，I₁和I₂为两个输入，H₀为输出。

图5表示使用了十二个LN‐MZI的4比特比特操作器的示意图。这些LN‐MZI以级联方式连接，使得前一个的直通端口输出作为下一个的输入。连接到另一个的交叉端口输出，第一个的交叉输出端口与第三个的直通输出端口相连。标记为M1、M4、M7、M10的LN‐MZI由选择线S供电，而所有其他器件则提供二进制输入A₀, A₁, A₂, 和A₃。M3和M11分别提供IL和IR。

使用公式(1)和(2)，该设计输出端的归一化功率给出如下：

$$
H_0 = \sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M1}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M2}}{2}\right) \quad (3)
$$

$$
H_1 = \cos^2\left(\frac{\Delta\phi_{M4}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M6}}{2}\right) + \sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M4}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M5}}{2}\right) \quad (4)
$$

$$
H_2 = \cos^2\left(\frac{\Delta\phi_{M7}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M9}}{2}\right) + \sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M7}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M8}}{2}\right) \quad (5)
$$

$$
H_3 = \cos^2\left(\frac{\Delta\phi_{M10}}{2}\right)\sin^2\left(\frac{\Delta\phi_{M12}}{2}\right) \quad (6)
$$

其中 $\Delta\phi_{Mi}$ 是施加在第i个LN‐MZI Mi上的连续波信号所经历的相位偏移。

图6所示的设计已使用有限差分‐光束传播法（FD‐BPM）实现。该结构在Opti‐System提供的 Opti‐BPM软件中设计完成。Opti‐BPM为基于光波导的结构设计提供了优良的方案。仿真采用二维模型，结合有限差分和近轴光束传播法进行。所使用的连续波信号波长为1.3 μm。布局的占板面积为300,000∗750 μm²。

比特操作器主要表现为二进制位移器，而其他操作（旋转器和乘以/除以2）可以从演示结果中理解。

表2显示了比特操作器的一些情况，其中数据根据选择线S上施加的信号（即零或一）向右或向左移动。

选择线S	输入	移位输出
	A₀	A₁
0右移	0	0
	0	1
	1	0
	1	1
1左移	0	0
	0	1
	1	0
	1	1

表3 显示了该设计的不同功能以及操作的必要条件。

操作	条件	结果	示例
二进制移位器	S = 0	右移	0110→0011
	S = 1	左移	0110→1100
循环移位器/旋转器	S = 0和IR= A₃	右移	0111→1011
	S = 1和IL= A₀	左移	1110→1101
乘以/除以2	S = 0 & IR= IL= 0	除以2	1010→0101
	S = 1 & IR= IL= 0	乘以2	0100→1000
二进制序列设计者	S = 0/1和IR= 0/1 & IL= 0/1	预定义序列设计者	0000→0001→0010→0100→1000

5 结果和性能分析

表3中所示的八种情况已使用前一节中介绍的 Opti‐BPM设计实现，结果如图7所示。

从图7中可以明显看出，在获得的仿真结果中执行了右移和左移操作。这些结果是根据表3得出的，证明了设计的成功实现。例如，情况0001在S= 0和串行输入IR= 0下产生右移操作，最终输出结果为0000。连续波信号在波导中的传播取决于第4节中先前解释的施加在不同LN‐MZI上的电信号。此外，为了验证设计的有效性，基于三个关键参数对器件的性能进行了分析。

i. 消光比 ：消光比定义为高电平输出光功率（P₁）与低电平输出光功率（P₀）的比值。

$$
ER = 10 \log\left(\frac{P_1}{P_0}\right) \quad (7)
$$

不同仿真情况下的消光比值变化如图8所示。消光比值表明，逻辑1接收到的光功率高于逻辑0的光功率。这也表明该设计具有良好的性能。平均值接近29.16 dB。设计性能满意的消光比期望值为>15 dB [35]。

ii. 对比度 ：对比度（CR）反映了逻辑1和逻辑0时平均光功率的大小关系。这两个功率测量值的比值定义为CR。

$$
CR(dB) = 10 \log\left(\frac{P_{1\,\text{mean}}}{P_{0\,\text{mean}}}\right) \quad (8)
$$

其中 $P_{1\,\text{mean}}$ 和 $P_{0\,\text{mean}}$ 是逻辑1的平均光功率以及逻辑0的平均功率。对于光学器件要成为可靠的开关，CR值应尽可能高。与ER相比，CR的值能更好地定义任何光学器件的良好性能，因为它使用覆盖整个输出结果范围的平均光功率值进行测量。对于该仿真设计，获得的CR值约为29.48 dB。为了实现器件的满意性能，期望CR为>20 dB [35]。

iii. 插入损耗 ：输出功率最大值与输入功率之比定义了参数插入损耗（IL），公式如下：

$$
IL(dB) = 10 \log\left(\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}\right) \quad (9)
$$

其中，$P_{\text{out}}$ 是在输出端获得的最大光功率，$P_{\text{in}}$ 是施加的光功率。IL值应较低（<1 dB）[35]。仿真设计的IL值计算为0.77 dB。

表4展示了其他开关技术达到的结果以及从仿真结果中计算出的值。

序号	光开关器件	消光比（dB） $10 \log_{10} \left( \frac{P_{ON}}{P_{OFF}} \right)$	插入损耗（dB） $10 \log_{10} \left( \frac{P_{out}}{P_{in}} \right)$	对比度比（dB） $10 \log_{10} \left( \frac{P_{1\,\text{mean}}}{P_{0\,\text{mean}}} \right)$	Ref.
1	SOA‐MZI缓冲器	19.21	–	–	[38]
2	SOA‐MZI与非门	28	–	–	[39]
3	SOA‐MZI 与非门	29.5	–	–	[39]
4	基于石墨烯的电光等离激元多逻辑门（与）	29.41	–	–	[40]
5	微环谐振器复用器	7.16	–	10.71	[41]
6	TOAD	32.18	41.16	–	[42]
7	LN‐MZI 多路复用器	33.32	0.043	28.02	[37]
8	LN‐MZI 比特操作器	29.16	0.77	29.48	提出的工作

为了最小化偏振损耗，可以使用偏振控制器。偏振控制器是一种用于调节通过光纤的光信号偏振态的器件。铌酸锂一直是设计集成偏振控制器的优选材料。图9给出了单级控制器的设计，该设计具有三个电极，在这些电极上施加适当的电势以控制光信号[43]的偏振态。

6 制造技术以开发所提出的器件

由材料衬底上的薄膜层构成的光波导是器件中最关键的部分。该薄膜的折射率高于基底的折射率。LN‐MZI的制造过程分为以下两个阶段：

6.1 波导制造

采用梯度或阶跃剖面，波导制造工艺旨在诱导折射率的局部波动。

薄膜光学器件和电路已由多种材料制成。电光或声光材料被用于制造开关、偏转器和调制器等有源器件，而玻璃基板则被用于制造滤波器和透镜等无源器件。由于铌酸锂具有优异的光学质量、电光性能和压电性能，因此是制造有源器件的首选基底材料。它还使得高质量光波导的制备变得简单。目前可以获得具有良好电光和声光特性的大尺寸、透明单晶LiNbO₃。因此，它是多种有源集成光电子器件的理想材料衬底。在集成光学或光电子学中，可利用扩散技术形成光波导，该光波导是一种厚度为数微米的表面层，其折射率高于基底，可在其中实现光限制以及电光和声光相互作用。

已测试多种扩散机制用于在LiNbO₃中制造光波导，包括从晶体表面发生的氧化锂外扩散、金属内扩散、离子交换和质子交换。

6.2 电极的制备

为了降低因金属负载引起的光学损耗，并实现光/射频速度匹配，射频（RF）电极通常直接制造在LiNbO₃晶圆表面或光学透明缓冲层上。一般情况下，首先在晶圆上真空沉积一层粘附层（如钛），然后沉积用于构建电极的金属基础层。随后通过光刻方法定义电极图案。高速调制器所用的射频电极厚度范围从几微米到超过15微米。

为了形成较厚的掩模，并确保电镀过程在整个器件长度方向上保持射频电极的横截面结构，需要采用特殊的光刻方法。大多数情况下，金被用作电极金属。为获得优异的射频性能，必须采用能够生成高纯度金属、小晶粒尺寸、最小特征失真以及适当电镀速率的电镀方法。目前 commercially accessible 的电镀化学配方包括干法电镀和溶液电镀。每种化学配方在特定的连续和/或脉冲电流供应条件下，以及配合特定的掩模材料时表现最佳。

电镀完成后去除掩模，并蚀刻掉间隙中的金属。

7 结论

比特操作器已被提出并进行了仿真，在论文的第1–5节中展示了成功的结果。研究表明，该单一设计本身能够执行多种操作，这是在单个光子器件中获得的最具吸引力的特征。不同的操作包括二进制移位器、比特旋转器、乘以2、除以2和序列设计器。该设计的主要功能是作为比特移位器，而其他操作则是通过轻微修改实现的。本工作展示了利用LN‐MZI中电光效应成功设计光路的过程。

Opti‐BPM仿真结果已获得，并与理论结果进行了验证。对于所提出的器件，获得的消光比、插入损耗和对比度值均满足阈值要求，适合器件的优良运行。