高對比度光子晶體與邏輯門的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高對比度光子晶體與邏輯門，它為一種五端口的二維光子晶體，包括一個非線性腔單元和一個Y型與邏輯門單元；它由一個參考光輸入端、兩個系統(tǒng)信號輸入端、一個閑置端和一個系統(tǒng)信號輸出端組成；非線性腔單元與Y型與邏輯門單元耦合連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易與其它光子晶體器件進(jìn)行集成，不僅可實(shí)現(xiàn)高對比度的光子晶體與邏輯門功能，而且高、低邏輯輸出對比度高，廣泛應(yīng)用于光通信波段。
【專利說明】高對比度光子晶體與邏輯門

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二維光子晶體、光學(xué)與邏輯門

【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射和Princeton大學(xué)的S.John在討論光子區(qū)域各自獨(dú)立地提出了光子晶體(PhotonicCrystal)的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。
[0003]隨著光子晶體的提出和深入研宄，人們可以更靈活、更有效地控制光子在光子晶體材料中的運(yùn)動。在與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)相結(jié)合下，人們通過設(shè)計(jì)與制造光子晶體及其器件不斷的往全光處理飛速邁進(jìn)，光子晶體成為了光子集成的突破口。1999年12月，美國權(quán)威雜志《科學(xué)》將光子晶體評為1999年十大科學(xué)進(jìn)展之一，也成為了當(dāng)今科學(xué)研宄領(lǐng)域的一個研宄熱點(diǎn)。
[0004]全光邏輯器件主要包括基于光放大器的邏輯器件、非線性環(huán)形鏡邏輯器件、薩格納克干涉式邏輯器件、環(huán)形腔邏輯器件、多模干涉邏輯器件、耦合光波導(dǎo)邏輯器件、光致異構(gòu)邏輯器件、偏振開關(guān)光邏輯器件、傳輸光柵光邏輯器件等。這些光邏輯器件對于發(fā)展大規(guī)模集成光路來說都有體積大的共同缺點(diǎn)。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的提高，人們還發(fā)展研宄出了量子光邏輯器件、納米材料光邏輯器件和光子晶體光邏輯器件，這些邏輯器件都符合大規(guī)模光子集成光路的尺寸要求，但對于現(xiàn)代的制作工藝來說，量子光邏輯器件與納米材料光邏輯器件在制作上存在很大的困難，而光子晶體光邏輯器件則在制作工藝上具有競爭優(yōu)勢。近年來，光子晶體邏輯器件是一個備受矚目的研宄熱點(diǎn)，它極有可能在不久將來取代目前正廣泛使用的電子邏輯器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，高低邏輯輸出對比度高，易與其它光子晶體器件集成的高對比度光子晶體與邏輯門。
[0006]為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下列技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明的高對比度光子晶體與邏輯門為一種五端口的二維光子晶體，包括一個非線性腔單元和一個Y型與邏輯門單元；它由一個參考光輸入端、兩個系統(tǒng)信號輸入端、一個閑置端和一個系統(tǒng)信號輸出端構(gòu)組成；所述的非線性腔單元與所述的Y型與邏輯門單元耦合連接。
[0008]所述非線性腔單元所述的非線性腔單元為一個二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔；該非線性腔單元由一個參考光輸入端、一個中間信號輸入端、一個閑置端和系統(tǒng)信號輸出端組成。
[0009]所述的Y型與邏輯門單元由兩個信號輸入端和一個中間信號輸出端組成。
[0010]所述的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔由高折射率介質(zhì)柱組成二維的光子晶體“十字”交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端為參考光輸入端，下端為中間信號輸入端，上端為系統(tǒng)信號輸出端，右端為閑置端口 ；通過交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置有介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為非線性材料，所述非線性介質(zhì)柱的橫截面為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形，其折射率為3.4或者大于2的值；緊貼中心非線性桿且靠近信號輸出端的一根長方形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與非線性介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
[0011]所述的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔中心由十二根長方形高線性介質(zhì)柱與一根矩形非線性介質(zhì)柱在縱、橫兩個波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，矩形非線性介質(zhì)柱與相鄰的四根長方形線性介質(zhì)柱相貼，距離為0，而兩兩相鄰的長方形線性介質(zhì)柱相距0.2668d0
[0012]所述的光子晶體與邏輯門為三端口波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的光子晶體結(jié)構(gòu)，所述三端口網(wǎng)絡(luò)的下端分別為兩個信號輸入端，上端為中間信號輸出端；所述三端口波導(dǎo)的交匯處設(shè)置了一根非線性材料的介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓形非線性介質(zhì)柱；所述非線性介質(zhì)柱的半徑與其它線性介質(zhì)柱半徑相同。
[0013]所述非線性腔單元的中間信號輸入端與所述Y型與邏輯門單元的中間信號輸出端相連接。
[0014]所述二維光子晶體的高折射率線性介質(zhì)柱的橫截面采用圓形、橢圓形、多邊形或者三角形。
[0015]所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率低于1.4的低折射率介質(zhì)。
[0016]所述的二維光子晶體為(2m+l) X (2n+l)的陣列結(jié)構(gòu)，m為大于等于4的整數(shù)，η為大于等于7的整數(shù)。
[0017]本發(fā)明的光子晶體邏輯器件廣泛應(yīng)用于光通信波段。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下積極效果:
[0018]1.結(jié)構(gòu)緊湊、易與其它光子晶體器件進(jìn)行集成。
[0019]2.光子晶體邏輯器件可以直接進(jìn)行全光的“與”、“或”、“非”等邏輯功能，是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的核心器件。
[0020]3.本發(fā)明通過非線性腔的幅值變換特性不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高對比度的光子晶體與邏輯門功能，而且高、低邏輯輸出對比度高。
[0021]4.抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的高對比度光子晶體與邏輯門的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖中:非線性腔單元01 Y型與邏輯門單元02參考光輸入端11系統(tǒng)信號輸入端12系統(tǒng)信號輸入端13閑置端14系統(tǒng)信號輸出端15第一長方形高折射率線性介質(zhì)柱16第二長方形高折射率線性介質(zhì)柱17矩形非線性介質(zhì)柱18圓形高折射率線性介質(zhì)柱19圓形非線性介質(zhì)柱20
[0024]圖2(a)為圖1所示的Y型與邏輯門單元02結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖中:信號輸入端12信號輸入端13中間信號輸出端32
[0026]圖2(b)為圖1所示的非線性腔單元01結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖中:參考光輸入端11中間信號輸入端31閑置端口 14信號輸出端口 15
[0028]圖3為圖2(b)的基本邏輯功能波形圖。
[0029]圖4為圖2 (a)的輸出信號波形Outputl ；
[0030]圖4為圖1的邏輯信號輸出波形Output2 ；
[0031]圖4為圖1的邏輯信號輸出波形Output3 ；
[0032]圖5為圖2 (b)的邏輯運(yùn)算真值表。

【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明的高對比度光子晶體與邏輯門為一種五端口的光子晶體，包括一個非線性腔單元01和一個Y型與邏輯門單元02;它由一個參考光輸入端、兩個系統(tǒng)信號輸入端、一個系統(tǒng)信號輸出端和一個閑置端組成；非線性腔單元01，為一個二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，根據(jù)其自身的邏輯運(yùn)算特性，以上一級的邏輯輸出作為邏輯輸入以實(shí)現(xiàn)既定的邏輯功能4型與邏輯門單元02，為一種三端口的Y型光子晶體結(jié)構(gòu)，Y型與邏輯門單元02對輸入信號進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，Y型與邏輯門單元02由兩個信號輸入端和一個中間信號輸出端組成，光子晶體與邏輯門02為一種三端口波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的光子晶體結(jié)構(gòu)，三端口網(wǎng)絡(luò)的下端分別為兩個信號輸入端，上端為中間信號輸出端；三端口波導(dǎo)的交匯處設(shè)置了一根非線性材料的介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓形非線性介質(zhì)柱；非線性介質(zhì)柱的半徑與線性介質(zhì)柱的半徑相同。
[0034]非線性腔單元01為一個二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，它由高折射率介質(zhì)柱組成二維的光子晶體“十字”交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，四端口網(wǎng)絡(luò)的左端為參考光輸入端，下端為中間信號輸入端，上端為系統(tǒng)信號輸出端，右端為閑置端；通過交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置有介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為非線性材料，非線性介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形，其折射率為3.4或者大于2的值；緊貼中心非線性桿且靠近信號輸出端的一根矩形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與非線性介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔；二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔中心由十二根長方形高折射率線性介質(zhì)柱與一根矩形非線性介質(zhì)柱在縱、橫兩個波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，交叉波導(dǎo)非線性腔中心的第一長方形高折射率線性介質(zhì)柱16，其折射率為3.4、第二長方形高折射率線性介質(zhì)柱17，其介電常數(shù)與非線性介質(zhì)柱弱光條件下的介電常數(shù)一致；兩兩相鄰的長方形線性介質(zhì)柱相距0.2668d ;交叉波導(dǎo)非線性腔的中心矩形非線性介質(zhì)柱18，采用克爾型非線性材料，弱光條件下的介電常數(shù)為7.9，矩形非線性介質(zhì)柱與相鄰的四根長方形線性介質(zhì)柱相貼，距離為O ;交叉波導(dǎo)非線性腔的圓形高折射率線性介質(zhì)柱19，采用硅(Si)材料，其折射率為3.4 'Y型與邏輯門單元的非線性介質(zhì)柱20為圓形，采用克爾型非線性材料，弱光條件下的介電常數(shù)為5。
[0035]本發(fā)明基于圖1所示光子晶體結(jié)構(gòu)所具有的光子帶隙特性、準(zhǔn)一維光子晶體缺陷態(tài)、隧穿效應(yīng)及光克爾非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高對比度光子晶體與邏輯功能。首先介紹本發(fā)明中光子晶體非線性腔的基本原理:二維光子晶體提供一個具有一定帶寬的光子帶隙，波長落在該帶隙內(nèi)的光波可在光子晶體內(nèi)所設(shè)計(jì)好的光路中傳播，因此將器件的工作波長設(shè)置為光子帶隙中的某一波長；交叉波導(dǎo)中心所設(shè)置的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合矩形非線性介質(zhì)柱的非線性效應(yīng)提供了一個缺陷態(tài)模式，當(dāng)輸入光波滿足一定光強(qiáng)時(shí)，使得該缺陷態(tài)模式偏移至系統(tǒng)的工作頻率，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，信號從輸出端15輸出。
[0036]當(dāng)晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長為2.976 μ m，參照圖2 (b)所示的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，端口 11輸入信號A，端口 31輸入信號B。如圖2所示本發(fā)明的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔的邏輯輸出波形圖，當(dāng)端口 11與端口 31分別輸入如圖3所示的波形信號可得到該圖下方的邏輯輸出波形。根據(jù)圖3所示的邏輯運(yùn)算特性可得到圖5所示該結(jié)構(gòu)的邏輯運(yùn)算真值表。圖5中C為現(xiàn)態(tài)Qn，Y為非線性腔單元輸出端15的信號輸出，即次態(tài)Qn+1。根據(jù)該真值表可得到非線性腔單元的邏輯表達(dá)式:
[0037]Y = AB+BC (I)
[0038]即
[0039]Qn+1=AB+BQn (2)
[0040]參照圖2(a)所示的光子晶體Y型與邏輯門光子晶體結(jié)構(gòu)，端口 12輸入信號C，端口 13輸入信號D，端口 32輸出信號波形如圖4所示的Outputl。將非線性腔單元01與Y型與邏輯門單元02進(jìn)行耦合連接，即非線性腔單元01的中間信號輸入端31與Y型與邏輯門單元02的中間信號輸出端32相互連接，設(shè)Y型與邏輯門單元02的與邏輯輸出信號為G，即Y型與邏輯門單元02的與邏輯輸出信號G作為非線性腔單元01的中間信號輸入端31的輸入信號。此時(shí)，高對比度光子晶體與邏輯門的參考光輸入端11輸入?yún)⒖脊釫 = 1，由式2可得到，
[0041]Qn+1= G (3)
[0042]最終，系統(tǒng)輸出端口 15將輸出高對比度的與邏輯信號G。
[0043]本發(fā)明器件的二維光子晶體采用(2m+l) X (2n+l)的陣列結(jié)構(gòu)，m為大于等于4的整數(shù)，η為大于等于7的整數(shù)。下面結(jié)合附圖給出兩個實(shí)施例，在實(shí)施例中以17 X 27陣列結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)d分別以I μ m及0.5208 μ m為例給出設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果。
[0044]實(shí)施例1
[0045]晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長為2.976 μ m，圓形高折射率線性介質(zhì)柱19的半徑為0.18 μ m ;第一長方形高折射率線性介質(zhì)柱16的長邊為0.613 μ m，短邊為0.162 μ m ;第二長方形高折射率線性介質(zhì)柱17的尺寸與第一長方形高折射率線性介質(zhì)柱16的尺寸一致；矩形非線性介質(zhì)柱18的邊長為1.5 μ m，三階非線性系數(shù)為1.33*10_2ym2/V2;兩兩相鄰的長方形線性介質(zhì)柱相距0.2668 μπι ;圓形非線性介質(zhì)柱20的半徑為0.18 μm，三階非線性系數(shù)為 1*1(T4 ym2/V2。
[0046]參照圖2 (a)所示結(jié)構(gòu)，信號輸入端12和信號輸入端13分別輸入信號C和信號D。其中，信號C與信號D波形如圖4所示，可得到Y(jié)型與邏輯門單元02的中間信號輸出端32的輸出信號如圖4中Output I所示。若將邏輯幅值輸出低于0.5*匕的邏輯輸出設(shè)為邏輯0，高于0.5*匕的邏輯輸出設(shè)為邏輯I。可得到，Y型與邏輯門單元02的中間信號輸出端32的邏輯I輸出幅值約為1.88*P0,而邏輯O輸出幅值約為0.47*P0 (除兩輸入皆為O的情況)，其高低邏輯的對比度約為6dB。將圖2(a)所示的Y型與邏輯門單元02的中間信號輸出端32與圖2(b)所示非線性腔單元01的中間信號輸入端31進(jìn)行耦合連接，可得到本發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所不。同理，在信號輸入端12和信號輸入端13分別輸入信號C和信號D，信號C與信號D如圖4所示，可得到本發(fā)明的高對比度光子晶體與門在晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長為2.976 μ m時(shí)的邏輯輸出波形如Output 2所示?？梢?，系統(tǒng)輸出15的邏輯I在高幅值區(qū)間振蕩，并不斷向2.125ΦΡ。的幅值收斂；系統(tǒng)輸出15的邏輯O的幅值約為0.006ΦΡ。，低邏輯幅值得到了很好的抑制。系統(tǒng)輸出15的高低邏輯對比度高于25dB。
[0047]實(shí)施例2
[0048]晶格常數(shù)d = 0.5208 μ m，工作波長為1.55 μ m，圓形高折射率線性介質(zhì)柱19的半徑為0.0937 μm ;長方形高折射率線性介質(zhì)柱16的長邊為0.3193 μm，短邊為0.0844 μπι ；長方形高折射率線性介質(zhì)柱17的尺寸與長方形高折射率線性介質(zhì)柱16的尺寸一致；矩形非線性介質(zhì)柱18的邊長為0.7812 μ m，三階非線性系數(shù)為1.33*10_2 μ m2/V2;兩兩相鄰的長方形線性介質(zhì)柱相距0.1389 μπι ;圓形非線性介質(zhì)柱20的半徑為0.0937 μm，三階非線性系數(shù)為IWVmVv20
[0049]如圖1所不，在信號輸入端12和信號輸入端13分別輸入信號C和信號D，信號C與信號D如圖4所示，可得到本發(fā)明的高對比度光子晶體與門在晶格常數(shù)d = 0.5208 μπι,工作波長為1.55 μ m時(shí)的邏輯輸出波形如Output 3所示。可見，系統(tǒng)輸出15的邏輯I的幅值沿2.05ΦΡ。振蕩，并逐漸趨于穩(wěn)定；系統(tǒng)輸出15的邏輯O的幅值約為0.008*P 0,低邏輯幅值得到了很好的抑制。系統(tǒng)輸出15的高低邏輯對比度高于24dB。
[0050]以上所述本發(fā)明在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明限制。
【權(quán)利要求】
1.一種高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:它為一種五端口的二維光子晶體，包括一個非線性腔單元和一個Y型與邏輯門單元；它由一個參考光輸入端、兩個系統(tǒng)信號輸入端、一個閑置端和一個系統(tǒng)信號輸出端組成；所述的非線性腔單元與所述的Y型與邏輯門單元親合連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的非線性腔單元為一個二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔；該非線性腔單元由一個參考光輸入端，一個中間信號輸入端，一個閑置端和系統(tǒng)信號輸出端組成。
3.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的Y型與邏輯門單元由兩個信號輸入端和一個中間信號輸出端組成。
4.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述非線性腔單元的中間信號輸入端與所述Y型與邏輯門單元的中間信號輸出端相連接。
5.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔由高折射率介質(zhì)柱組成二維的光子晶體“十字”交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端為參考光輸入端，下端為中間信號輸入端，上端為系統(tǒng)信號輸出端，右端為閑置端；通過交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置有介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為非線性材料，所述非線性介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形，其折射率為3.4或者大于2的值；緊貼中心非線性桿且靠近信號輸出端的一根矩形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與非線性介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
6.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔中心由十二根長方形高折射率線性介質(zhì)柱與一根正方形非線性介質(zhì)柱在縱、橫兩個波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，正方形非線性介質(zhì)柱與相鄰的四根長方形線性介質(zhì)柱相貼，距離為O，而兩兩相鄰的長方形線性介質(zhì)柱相距0.2668do
7.按照權(quán)利要求1所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的光子晶體與邏輯門為一種三端口波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的光子晶體結(jié)構(gòu)，所述三端口網(wǎng)絡(luò)的下端分別為兩個信號輸入端，上端為中間信號輸出端；所述三端口波導(dǎo)的交匯處設(shè)置了一根非線性材料的介質(zhì)柱，該介質(zhì)柱為圓形非線性介質(zhì)柱；所述非線性介質(zhì)柱的半徑與線性介質(zhì)柱的半徑相同。
8.按照權(quán)利要求1或4所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述二維光子晶體的高折射率線性介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、多邊形或者三角形。
9.按照權(quán)利要求1或4所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率低于1.4的低折射率介質(zhì)。
10.按照權(quán)利要求1或4所述的高對比度光子晶體與邏輯門，其特征在于:所述的二維光子晶體為(2m+l) X (2n+l)的陣列結(jié)構(gòu)，m為大于等于4的整數(shù)，η為大于等于7的整數(shù)。
【文檔編號】G02F3/00GK104503186SQ201410799867
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】歐陽征標(biāo), 余銓強(qiáng) 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)