The novel design of an all-optical XOR gate by using cross-gain modulation of semiconductor optical amplifiers has been suggested and demonstrated successfully at 10 Gb/s. Boolean AB~ and A~B of the two input signals A and B have been obtained and combined to achieve the all-optical XOR gate. No additional input beam such as a clock signal or continuous wave light is used in this new design, which is required in other all-optical XOR gates.

An all-optical half adder using semiconductor optical amplifier based devices is suggested and demonstrated at 10 Gbit/s. Boolean AB and AB out of two semiconductor optical amplifiers have been obtained and combined to achieve an all-optical XOR gate, which is logic SUM. Also, an all-optical XPM wavelength converter has been utilized to obtain an all-optical AND gate, which is logic CARRY. Logic SUM and CARRY are simultaneously realized. No additional input beam such as clock signal or continuous wave light other than input signals A and B is used in this new design, which is required in many other all-optical logic gates.

By using the gain nonlinearity characteristics of semiconductor optical amplifier, an all-optical binary half adder at 10 Gbps is demonstrated. The half adder operates in a single mechanism, which is cross gain modulation. The half adder utilizes two logic functions of SUM and CARRY, which can be demonstrated by using XOR and AND gates, respectively. The extinction ratios of both XOR and AND gates are about 6.1 dB. By achieving this experiment, we also explored the possibilities for the enhanced complex logic operation and higher chances for multiple logic integration.

By using the cross-gain modulation of semiconductor optical amplifiers (SOAs), a novel all-optical AND gate has been successfully demonstrated at 10 Gb/s. Firstly, Boolean \overlineB was obtained using the first SOA with signal B and clock injection. Then, the all-optical AND gate is achieved by simultaneously injecting signal A and signal \overlineB out of the first SOA.

All-optical multi-functional logic gates by using the gain nonlinearity characteristics of cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers (SOAs) have been demonstrated. Using three SOAs, all-optical multi-functional logic gates for the simultaneous operations of AND, NOR and XNOR at 10 Gbit/s were successfully demonstrated.

By using the cross gain modulation (XGM) characteristics of semiconductor optical amplifiers (SOAs), multi-functional all-optical logic gates including XOR, NOR, and NAND gates are successfully demonstrated at 10 Gbps in single format. Numerical simulation is also performed by using the transmission-line laser model (TLLM), which is confirmed by using three SOAs experimentally. These combined all-optical multi-functional logic gates will provide more complex and complicated all-optical logic operations.

Two-dimensional (2D) transition metal carbides called MXenes intrinsically have surface functionality differently from other 2D materials. Consequently, the control of surface termination was proven powerful for modulating their electronic and optical properties. However, despite the important potential, its effects on the mechanical properties of MXenes remain extremely elusive. Using reactive molecular dynamics simulations here we reveal that surface termination engineering can be a very effective means for tailoring the tensile properties of Ti3C2Tx MXenes. The tensile strength breaking elongation and Young’s modulus of Ti3C2Tx undergo significant predictable variations as the surface termination coverage changes. Noticeably, elimination of surface termination renders the strong stiffness of Ti3C2Tx significantly softer, being opposite to the tendency of graphene, while making it highly stretchable up to 18%. The Young’s modulus follows a Boltzmann decay as the termination coverage decreases while the tensile strength and breaking elongation exhibit cubic behaviors with their minima at partial coverages of surface termination. We further explore the tensile variations of Ti3C2Tx under the effects of surface vacancies, surface termination, and tensile direction change and their combinations. The increase of surface vacancies gradually deteriorates the tensile strength of Ti3C2Tx, alleviating the fracture anisotropy regardless of the surface termination coverage.

An all-optical AND gate is demonstrated for the first time by using the probe and pump signals as the multiple binary points in cross phase modulation (XPM). The probe signal as CW light with two distinctive intensities and the pump signal with maximum and minimum points of static transfer characteristics in XPM are utilized to perform the binary points of logic AND. Logic AND for return-to-zero signals at 20 Gbit/s is successfully demonstrated.

Nanoporous graphene has unprecedented high permeability due to its ultrathin nature, whose efficiency surpasses that of conventional diffusive polymer membranes by several orders. However, large-area production of nanoporous graphene has been severely limited by difficult nanopore fabrication, framework defects, and reactive grain boundaries, which significantly hampered its practical applications. Here, using molecular dynamics simulation, we propose that large-area nanoporous few-layered graphene can be easily fabricated by repeated processes of dispersed oxidation and reductive nanoetching. Its core process was validated by showing feasible nanoetching of oxidized surface carbons under impulse energy irradiation on few-layered graphene while pristine surface carbons, beneath carbon layers, grain boundaries, and Stone-Thrower-Wales defects can robustly maintained their original structures. Using nonequilibrium atomistic simulations, we also demonstrated that nanoporous few-layered graphene can desalinate salt water completely with the same ultrahigh energy efficiency as that of nanoporous single-layer graphene, at least up to four layer thickness. In-depth investigation on the transport mode consistently showed that water permeation through this membrane operates in the nondiffusive regime. This study strongly suggests that few-layered graphene can be a promising matrix of atomically thin nanoporous membranes in terms of productivity and performance, opening a new avenue toward innovative membrane technologies.