在完整的二维三角晶格硅中引入线缺陷和点缺陷，利用波导耦合和线性干涉，提出了一种基于光子晶体的全光半加器结构。半加器由波导分束器、全光逻辑与门和全光逻辑异或门组成。利用Rsoft软件，结合平面波展开法和时域有限差分法对所提半加器进行仿真研究。结果表明，所提半加器在波长为1530 nm时“进位”和“和位”端口的对比度分别为4.67 dB和10.77 dB，响应时间约为2.67 ps。为了提高“进位”端口的对比度，文中对半加器的结构进行了优化。优化后的半加器“进位”和“和位”端口的对比度分别为8.26 dB和15.34 dB，响应时间为3.67 ps，理论上可以达到0.273 Tbps的数据传输速率。所提出优化后的半加器具有较高的对比度，在全光信号处理系统和集成光路中具有重要作用。

在完整的二维正方晶格硅中引入线缺陷和点缺陷,利用波导耦合和线性干涉,提出一种基于二维光子晶体的三输入全光逻辑“与”门。利用平面波展开法和时域有限差分法对所提与门进行仿真研究。结果表明,所提与门在波长为1544~1555 nm时对比度不小于3.5 dB,响应时间达到亚皮秒量级,点缺陷偏移介质柱可以横向偏移的范围为0.06~0.19 μm。本方案结构简单、工作波长范围较宽、响应时间较快,能实现三输入情况下的逻辑与。所提与门在全光信号处理系统和集成光路中具有重要作用。

随着互联网的发展, 网络数据流量极速增长, 全光网(AON)概念的提出有利于解决可用带宽受限、信号传输速率较低等问题。其中, 全光逻辑信号处理为AON的重要组成部分。根据周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的二阶非线性效应原理, 将产生的输出信号连续送入不同的PPLN波导进行叠加处理, 设计出全光2线-4线译码器的波导级联结构, 通过数值计算仿真得到了波形图和眼图, 分析了全光2线-4线译码器输出信号的半高全宽(FWHM)、峰值功率、延迟时间和消光比。仿真结果表明: 采用PPLN波导级联的方式实现了2线-4线译码器在光域中的逻辑功能, 同时保证了光信号的传输质量, 为PPLN波导的全光信号处理提供了新的器件类型。

基于线性干涉效应和环形谐振器,提出了一种二维光子晶体全光逻辑门的设计方法。通过在环形腔中引入光程差,产生相应的相位差,从而导致光波发生相长干涉或相消干涉,实现了或、与、异或、非、或非和与非等光学逻辑门。利用平面波展开法和时域有限差分法对逻辑器件进行模拟分析,对逻辑功能进行验证,结果表明:所设计的器件不仅物理尺寸小,而且透射率、对比度高,响应周期快,均在218 fs以内,在集成光学领域具有潜在的应用前景。

光逻辑门是未来全光网络中光信息处理的核心元件, 它可以实现高速光包交换, 全光地址识别,数据编码, 奇偶校验, 信号再生等功能。采用微环谐振器设计了一种新型的电光逻辑门, 结构通过三个非对称微环组成, 分析耦合区的传输矩阵方程得出加载电压信号的变化能够实现微环折射率的变化, 利用光强的逻辑开关特性可以实现光门逻辑。计算机仿真验证了工作波长1 600 nm时, 实现的高电平50.7 V定义为逻辑1, 低电平0 V定义为逻辑0, 通过光强变化得出了6位逻辑运算; 整个系统的响应时间理论上得到了1.8 ps, 运算速率可达近200 Gbit/s。逻辑的双稳态分析中得出: 微环发生最大谐振值时对应的控制波长等于微环未发生形变前的谐振波长和偏移量之和; 调制可以通过微环谐振波长实现控制。这一研究对于未来全光通信的实现具有一定的意义。

提出了一种二维三角晶格光子晶体“或非”和“非”全光逻辑门设计。该设计使用空气中的硅介质柱光子晶体材料, 其主体为四根光子晶体波导组成的四端口结构。通过平面波展开法和有限时域差分法计算了其能带结构和光学传输特性, 并对其逻辑功能进行了分析。结果显示, 通过控制光相位, 该结构能够实现“或非”和“非”逻辑功能, 结构尺寸为9.675μm×7.820μm, 响应周期为0.388ps。

在未来的通信领域中，全光逻辑门是全光计算机和全光网络的基本单元。目前已经提出了很多实现全光逻辑门的结构和方法，但是全光逻辑的技术瓶颈也出现了，就是怎样能够将单个的全光逻辑门级联起来实现更复杂的逻辑关系。现存的全光逻辑门结构一般不具有很好的可以实现多级连接的级联性，而且现有的对于级联性的分析大都停留在理论层面，而没有与实际情况相结合，所以对于实际应用来说意义很小。提出了一种新型的基于高非线性Sagnac干涉仪的超高速全光NOT门，建立了它的数学模型，采用了与实际情况更加接近的高斯脉冲模拟输入光，并且在仿真结果的基础上分析了系统的级联性，对级联性的分析考虑了光纤损耗和走离效应的影响。得到的基本结论表明，所提出的全光逻辑门的结构能够在实际情况下保持良好的级联性。