專利名稱：一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，屬于全光邏輯門的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，超高速光信號(hào)處理技術(shù)在光通信中的位置越來(lái)越重要，同時(shí)對(duì)組建光通信系統(tǒng)的設(shè)備要求也越來(lái)越高。直接在光域上實(shí)現(xiàn)各種邏輯操作的全光邏輯門，可以應(yīng)用于全光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽交換、數(shù)據(jù)編碼和光分組路由等，是組建全光通信系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)全光集成芯片的關(guān)鍵設(shè)備之一。尤其是超小型的全光邏輯門設(shè)備，更適合應(yīng)用于大規(guī)模集成光路的組建，因此備受關(guān)注。光子晶體是一種在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制作的微結(jié)構(gòu)材料，其獨(dú)特的可在波長(zhǎng)尺度內(nèi)控光能力給超小型光集成 帶來(lái)了希望。而由光子晶體實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門也成為研究熱點(diǎn)。目前，基于光子晶體全光邏輯門主要有基于非線性光子晶體的非線性效應(yīng)的全關(guān)邏輯門(文獻(xiàn) l，Qiang Liu,Zhengbiao Ouyang,Chih Jung Wu,Chung Ping Liu,and JongC. Wang, “All-optical half adder based on cross structures in two-dimensionalphotonic crystals,，，0pt. Exp.，vol. 16，no. 23，pp. 18992-19000，Nov. 2008，和文獻(xiàn) 2，Parisa Andalib and Nosrat Granpayeh,“All_optical ultracompact photonic crystalAND gate based on nonlinear ring resonators,，，J. Opt. Soc. Amer. B, vol. 26, no. I,Jan. 2009,和文獻(xiàn) 3, Zhi-Hong Zhu, Wei-Min Ye, Jia-Rong Ji, Xiao-Dong Yuan, and ChunZen,“High-contrast light-by-light switching and AND gate based onnonlinearphotonic crystals, ” Opt. Exp.，vol. 14, no. 5, pp. 1783-1788, Mar. 2006.)，基于光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng)型的全光邏輯門(文獻(xiàn)4, A. P. Kabilan, X. Susan Christina, P. ElizabethCaroline, “Photonic Crystal based all Optical OR and XOR Logic Gates,，，Sec.Int. con. on Comp. , Comm, and Net. Tec.，2010,和文獻(xiàn) 5, Yuanliang Zhang, Yao Zhang,and Baojun Li,“Optical switches and logic gates based on self-collimated beamsin two-dimensional photonic crystals,Opt. Exp. , vol. 15, no. 15, pp. 9287-9292,Jul. 2007.)，基于四波混頻效應(yīng)的光子晶體慢光波導(dǎo)全光邏輯門(文獻(xiàn)6，C. Husko，T. D. Vo, B. Corcoran, J. Li, T. F. Krauss, and B. J. Eggleton, “Ultracompact all-opticalXOR logic gate in a slow-light silicon photonic crystal waveguide, Opt. Exp.,vol. 19,no. 21,pp. 20681-20690，Oct. 2011.)等等。這些光子晶體全光邏輯門展示了一些優(yōu)點(diǎn)，如集成度高、響應(yīng)快等，但是，利用非線性光子晶體的非線性效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的全關(guān)邏輯門，需要很高的工作功率，這就導(dǎo)致邏輯門耗能很大，而耗能低的全光邏輯門可能更適合未來(lái)全光集成回路的組建；利用光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng)的全光邏輯門，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是處于自準(zhǔn)直頻域外的光會(huì)使器件的能量損耗增大，會(huì)大大降低器件的效率；利用四波混頻效應(yīng)在硅基光子晶體慢光波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)全光邏輯門，能實(shí)現(xiàn)超小型的全光邏輯門設(shè)備，但是，器件的透射率很低，增大了器件的能量損耗。2011年,Yuhei Ishizaka, Yuki Kawaguchi,等人提出一種超小型耗能低的光子晶體全光邏輯門(文獻(xiàn)7,Yuhei Ishizaka,Yuki Kawaguchi,KunimasaSaitoh, and Masanori Koshiba, “Design of ultra compact all-optical XOR and ANDlogic gates with low power consumption,，，Opt. Com. 284, pp. 3528-3533, Apr. 2011.),但是模型較低的誤差容限可能限制了其應(yīng)用。所以，耗能低、體積小且誤差容限高的全光邏輯門的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。光子晶體多模干涉波導(dǎo)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低且操作帶寬較大，被廣泛應(yīng)用于各種全光器件的設(shè)計(jì)之中(文獻(xiàn) 8, Zhangjian Li, Yao Zhang, and Baojun Li, “Terahertzphotonic crystal switch in silicon based on self-imaging principle,，，Opt.Exp. , vol. 14, no. 9, pp. 3887-3892, May 2006,和文獻(xiàn) 9, Hyun-Jun Kim, Insu Park,Beom-Hoan 0, Se-Geun Park, El-Hang Lee, and Seung-Gol Lee,“Self-imagingphenomena in multi-mode photonic crystal line-defect waveguides -application towavelength de-multiplexing,”0pt. Exp. , vol.12, no.23, pp. 5625-5633, Nov. 2004,和文獻(xiàn) 10, Qile Zhu and Baojun Li, “Photonic crystal waveguide-based Mach Zehnderdemultiplexer, ” App. Opt. , vol. 45, no. 35, Dec. 2006,和文獻(xiàn) 11, Ming-Feng Lu, Shan-Mei Liao, and Yang-Tung Huang, “Ultracompact photonic crystal polarization beamsplitter based on multimode interference, ” App. Opt. , vol. 49, no. 4, Feb. 2010,和文獻(xiàn) 12, Yao Zhang, Zhangjian Li, and Baojun Li, “Multimode interference effect andself-imaging principle in two-dimensional silicon photonic crystal waveguidesfor terahertz waves, ”0pt. Exp. , vol. 14, no. 7, pp. 2679-2689, Nov. 2006.)。本發(fā)明所涉及的光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門，由特殊設(shè)計(jì)的光子晶體Wl波導(dǎo)和W5波導(dǎo)集成而成。Wl波導(dǎo)構(gòu)成異或邏輯門的輸入和輸出通道，而W5波導(dǎo)作為多模干涉區(qū)的多模干涉波導(dǎo)。Wl波導(dǎo)和W5波導(dǎo)分別為在完美的光子晶體中沿X方向去掉I排和5排介質(zhì)柱而形成的線缺陷波導(dǎo)。攜帶不同相位的輸入光分別由相應(yīng)的輸入端進(jìn)入多模干涉區(qū)，并在多模干涉區(qū)進(jìn)行干涉疊加，通過(guò)改變輸入光的相位來(lái)使邏輯輸出端的光強(qiáng)在最大值和最小值之間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)異或邏輯功能。而且，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)異或邏輯結(jié)構(gòu)的輸入和輸出通道的結(jié)構(gòu)，可以使該異或邏輯結(jié)構(gòu)在整個(gè)通信C波段的消光比在22. 35dB以上。本發(fā)明的輸入端的邏輯值由輸入信號(hào)的相位決定，邏輯輸出端的邏輯輸出值是由輸出信號(hào)的強(qiáng)度決定，因此本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BPSK信號(hào)的異或運(yùn)算，可應(yīng)用于BPSK通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)光子晶體全光邏輯門所存在的一些問(wèn)題，如，耗能大，透射底，誤差容限小，等等，從而提出一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、耗能低且誤差容限較高，是實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的理想方案。本發(fā)明由特殊設(shè)計(jì)的Wl波導(dǎo)和W5波導(dǎo)集成而成。其中，Wl波導(dǎo)構(gòu)成異或邏輯門的輸入和輸出通道，W5波導(dǎo)作為多模干涉區(qū)的多模干涉波導(dǎo)。工作原理為在兩個(gè)輸入端分別輸入中心波長(zhǎng)相同、偏振方式相同且功率相同，但相位不同的光信號(hào)，由輸入端進(jìn)入到多模干涉區(qū)進(jìn)行相干疊加，通過(guò)改變輸入信號(hào)的相位來(lái)使邏輯輸出端的光強(qiáng)在最大值和最小值之間變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在通信C波段上的異或運(yùn)算。本發(fā)明所涉及的邏輯輸入值是由輸入光的相位決定，而邏輯輸出值是由輸出光強(qiáng)決定，所以本發(fā)明可應(yīng)用于BPSK通信系統(tǒng)中對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算。本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其中該全光邏輯門是在二維三角晶格介質(zhì)柱型光子晶體上實(shí)現(xiàn)的，其中二維三角晶格柱型光子晶體可通過(guò)電子束光刻技術(shù)制作。所述的光子晶體波導(dǎo)集成的異或邏輯結(jié)構(gòu)的兩個(gè)輸入通道由2個(gè)60°彎曲的Wl波導(dǎo)組成，具體實(shí)現(xiàn)如下在完美二維光子晶體中沿X方向去掉6個(gè)介質(zhì)柱形成Wl波導(dǎo)，作為輸入通道A，之后在該Wl波導(dǎo)的下方間隔9排介質(zhì)柱的位置再去掉6個(gè)介質(zhì)柱，作為輸入通道B，之后再在兩個(gè)Wl波導(dǎo)的末端均按60°彎曲方向引入長(zhǎng)度為2a的Wl波導(dǎo)。所述的光子晶體波導(dǎo)集成的異或邏輯結(jié)構(gòu)的多模干涉波導(dǎo)由W5波導(dǎo)組成，具體實(shí)現(xiàn)如下在輸入通道A和B末端沿X方向連續(xù)去掉5排介質(zhì)柱形成W5多模干涉波導(dǎo)，可 根據(jù)多模干涉的模間理論計(jì)算出相鄰模式的耦合長(zhǎng)度找到最短的成像位置，即作為多模干涉波導(dǎo)的長(zhǎng)度，當(dāng)攜帶不同相位的光信號(hào)(偏振方式、功率以及中心頻率均相同)，由輸入通道A和B分別進(jìn)入到多模干涉區(qū)域時(shí)，會(huì)在此進(jìn)行干涉疊加，在像點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)最大的能量，再改變輸入信號(hào)的相位，在原像點(diǎn)位置又會(huì)出現(xiàn)最小的能量，這樣，通過(guò)改變輸入信號(hào)的相位而使邏輯輸出端口的輸出光強(qiáng)在最大和最小值之間變換，從而實(shí)現(xiàn)異或功能。所述的多模干涉波導(dǎo)，即W5波導(dǎo)，其長(zhǎng)度由多模干涉的模間耦合理論確定為6a，本設(shè)計(jì)將多模干涉區(qū)的長(zhǎng)度確定為7a。所述的多模干涉區(qū)的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將初始端和末端的3個(gè)介質(zhì)柱去掉，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，邏輯門在通信C波段上的消光比顯著提高。所述的光子晶體波導(dǎo)集成的異或邏輯結(jié)構(gòu)的兩個(gè)輸出通道也由2個(gè)60°彎曲的Wl波導(dǎo)組成，其結(jié)構(gòu)和輸入通道相對(duì)稱，整個(gè)邏輯門的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。所述的光子晶體波導(dǎo)集成的異或邏輯結(jié)構(gòu)其邏輯輸出端的消光比可以通過(guò)調(diào)整輸入和輸出通道即Wl波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化提高到22. 35dB以上，具體實(shí)現(xiàn)如下對(duì)輸入輸出通道的60°彎曲的Wl波導(dǎo)的臨近波導(dǎo)中心的第一排介質(zhì)柱垂直于波導(dǎo)中心向兩邊平移
O.35a，使直Wl波導(dǎo)的波導(dǎo)中心寬度增大為C^ + 0.7)a,彎曲部分的寬度增大為2. 7a，其中a是該光子晶體的晶格常數(shù)。所述的二維三角晶格柱形光子晶體，介質(zhì)柱為硅柱，其折射率為3. 48，背景為二氧化硅，其折射率為1.45。所述的二維三角晶格柱形光子晶體，介質(zhì)柱的半徑為O. 2a，晶格常數(shù)a = 467nm。所述的基于多模干涉的光子晶體全光邏輯門，其輸入端的邏輯值是由輸入信號(hào)的相位決定，對(duì)于輸入端口 A,光信號(hào)的相位為0°定義為邏輯值1，光信號(hào)的相位為180°定義為邏輯值O,對(duì)于輸入端口 B,光信號(hào)的相位為90°定義為邏輯值1，光信號(hào)的相位為-90°定義為邏輯值O。所述的基于多模干涉的光子晶體全光邏輯門，其輸出端的邏輯值是由輸出信號(hào)的強(qiáng)度決定，光強(qiáng)最大時(shí)定義為邏輯1，光強(qiáng)最小時(shí)定義為邏輯O。與傳統(tǒng)方法相比本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明利用多模干涉原理，增大了有效操作帶寬范圍，使邏輯門能在整個(gè)通信C波段上實(shí)現(xiàn)消光比大于22. 35dB。
2.本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是基于以二氧化硅為背景，硅為介質(zhì)柱的二維光子晶體，不采用非線性光子晶體，從而所設(shè)計(jì)的邏輯門的工作功率較低，耗能少。3.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)于光子晶體波導(dǎo)的集成，所以尺寸較小，長(zhǎng)為8. 9um，寬為7. 3um，有利于全光集成。4.本發(fā)明的輸入輸出邏輯值是由輸入信號(hào)的相位決定，所以本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BPSK信號(hào)的異或運(yùn)算。5.本發(fā)明的邏輯功能的實(shí)現(xiàn)不需要外加控制光，操作簡(jiǎn)單。6.本發(fā)明所涉及的邏輯異或結(jié)構(gòu)的誤差容限較高，可達(dá)20%，即當(dāng)所有半徑都比理論尺寸偏大20%時(shí)，仍然可以進(jìn)行異或運(yùn)算，而且消光比在IOdB以上的C波段的操作帶寬可達(dá)27nm。本發(fā)明的原理如下·本發(fā)明所涉及的一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，是由Wl波導(dǎo)和W5波導(dǎo)集成而成，實(shí)現(xiàn)于二維三角晶格柱型光子晶體，其原理如下首先，用平面波展開法分別計(jì)算出完美光子晶體的禁帶范圍以及Wl和W5波導(dǎo)的能帶曲線，研究Wl和W5波導(dǎo)禁帶中的導(dǎo)模性質(zhì)。根據(jù)公式(I)可以計(jì)算頻率f = 0.3013處，基模和其他模間的干涉距離，模間耦合公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其中該全光異或邏輯門由特殊設(shè)計(jì)的Wl波導(dǎo)和W5波導(dǎo)集成而成。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其特征是所設(shè)計(jì)的光子晶體異或邏輯結(jié)構(gòu)包含一種特殊設(shè)計(jì)的多模干涉區(qū)結(jié)構(gòu)采用W5波導(dǎo)作為多模干涉波導(dǎo)，其長(zhǎng)度可由多模干涉的模間耦合公式計(jì)算得出，并去掉多模干涉區(qū)的初始和末端位置的三個(gè)介質(zhì)柱，使異或門在通信C波段的消光比得到提高。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其特征是所設(shè)計(jì)的光子晶體異或邏輯結(jié)構(gòu)的輸入輸出端的特殊結(jié)構(gòu)輸入輸出端均由60°彎曲的Wl波導(dǎo)組成，通過(guò)平移Wl波導(dǎo)臨近波導(dǎo)中心的第一排介質(zhì)柱來(lái)提高異或門在通信C波段的消光比，移動(dòng)方向垂直于波導(dǎo)中心向外。
4.如權(quán)利要求I或2所述的一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其特征是該光子晶體異或邏輯結(jié)構(gòu)的尺寸較小，長(zhǎng)為8. 9um(沿X方向)，寬為7. 3um(沿z方向)，更加有利于全光集成。
5.如權(quán)利要求I或2所述的一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)，其特征是該光子晶體異或邏輯結(jié)構(gòu)的誤差容限可達(dá)到20%，即實(shí)際制作的光子晶體的半徑可比理論上設(shè)計(jì)的半徑大20%，此時(shí)器件在通信C波段上的操作帶寬可達(dá)27nm，同時(shí)消光比在IOdB以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光子晶體波導(dǎo)集成的全光異或邏輯門結(jié)構(gòu)。本發(fā)明是由特殊設(shè)計(jì)的光子晶體W1波導(dǎo)和W5波導(dǎo)集成而成。W1波導(dǎo)組成輸入輸出通道，W5波導(dǎo)作為多模干涉波導(dǎo)，通過(guò)改變輸入信號(hào)的相位使邏輯輸出端的光強(qiáng)在最大值和最小值之間轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)異或功能。本發(fā)明的輸入輸出邏輯值由輸入信號(hào)的相位決定，輸出信號(hào)的邏輯值由邏輯輸出端的輸出光強(qiáng)決定，因此本發(fā)明可用于BPSK通信系統(tǒng)中對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102722062SQ201210247888
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者劉偉佳, 張艷紅, 田慧平, 申冠生, 紀(jì)越峰 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)