光子晶體全光多步延遲與變換邏輯門的制作方法
【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(dòng)。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(píng)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(gè)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(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
[0005]近年來，光子晶體邏輯器件是一個(gè)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。光子晶體邏輯器件可直接進(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。在實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的進(jìn)程中，基于“與”、“或”、“非”、“異或”等光子晶體邏輯功能器件已經(jīng)被成功設(shè)計(jì)研宄，而實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的目標(biāo)仍需要各種各樣復(fù)雜的邏輯元器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，且易與其它光學(xué)邏輯元件實(shí)現(xiàn)集成的光子晶體多步延遲與變換邏輯門。
[0007]本發(fā)明的目的通過下列技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的光子晶體多步延遲與變換邏輯門由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門、一個(gè)D觸發(fā)器單元和一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器組成；所述存儲(chǔ)器輸入端與邏輯信號(hào)X1連接，其輸出端與光開關(guān)單元的延遲信號(hào)輸入端連接；邏輯信號(hào)X2與光開關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號(hào)輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接；所述三分支波導(dǎo)的三個(gè)輸出端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端與非邏輯門輸入端連接；所述非邏輯門輸出端與D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號(hào)輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接。
[0009]所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，它由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)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、下端、上端、右端分別為時(shí)鐘信號(hào)輸入端、中間信號(hào)輸入端、信號(hào)輸出端、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)置中間介質(zhì)柱，該中間介質(zhì)柱為非線性材料，所述中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線性桿且靠近信號(hào)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)與中央介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
[0010]所述的光開關(guān)單元為2X2光選通開關(guān)，它由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、兩個(gè)系統(tǒng)信號(hào)輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；所述的兩個(gè)系統(tǒng)信號(hào)輸入端分別為延遲信號(hào)輸入端、邏輯信號(hào)輸入端；所述的兩個(gè)中間信號(hào)輸出分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。
[0011]所述的D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)D信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)信號(hào)輸出端組成；所述D信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號(hào)相等。
[0012]所述的存儲(chǔ)器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述存儲(chǔ)器的輸出信號(hào)為k步之前輸入存儲(chǔ)器的輸入信號(hào)；所述的延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述延遲器的輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在k步延遲。
[0013]所述的存儲(chǔ)器或延遲器為k步延遲的存儲(chǔ)器或延遲器。
[0014]所述的二維光子晶體為(2k+l) X (2k+l)結(jié)構(gòu)，其中k為大于等于3的整數(shù)。
[0015]所述二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
[0016]所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)。
[0017]所述交叉波導(dǎo)中的準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的折射率為3.4或大于2的值，且所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的積極有益效果是:
[0019]1.結(jié)構(gòu)緊湊，易于制作；
[0020]2.抗干擾能力強(qiáng)，易與其它光學(xué)邏輯元件集成；
[0021]3.具有高、低邏輯輸出對(duì)比度高，響應(yīng)速度快。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲與變換邏輯門的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為圖1所示的光子晶體結(jié)構(gòu)單元在晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長為2.976 μ m的基本邏輯功能波形圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲與邏輯門在晶格常數(shù)d = 0.5208 μ m，工作波長為1.55 μm的兩個(gè)邏輯信號(hào)多步延遲與變換邏輯功能的波形圖；
[0025]圖4為圖1所示二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔的邏輯功能真值表。
[0026]圖中:光子晶體結(jié)構(gòu)單元01時(shí)鐘信號(hào)輸入端11中間信號(hào)輸入端12閑置端口 13輸出端14圓形高折射率線性介質(zhì)桿15第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16第二長方形高折射率線性介質(zhì)桿17中心非線性介質(zhì)桿18邏輯信號(hào)X1邏輯信號(hào)X2光開關(guān)單元02延遲信號(hào)輸入端21邏輯信號(hào)輸入端22第一中間信號(hào)輸出端23第二中間信號(hào)輸出端24吸波負(fù)載03時(shí)鐘控制信號(hào)CP非邏輯門04 D觸發(fā)器單元05時(shí)鐘信號(hào)輸入端51 D信號(hào)輸入端52系統(tǒng)信號(hào)輸出端53存儲(chǔ)器或延遲器06
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲與變換邏輯門由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元01、一個(gè)光開關(guān)單元02、一個(gè)吸波負(fù)載03、一個(gè)非邏輯門04、一個(gè)D觸發(fā)器單元05和一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器06組成；光子晶體結(jié)構(gòu)單元01為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，其設(shè)置在所述光開關(guān)單元的后端，二維光子晶體的背景填充材料為空氣，也可以采用折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)，二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形，也可以采用橢圓形、三角形或者多邊形，二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，該四端口網(wǎng)絡(luò)具有一種四端口的光子晶體結(jié)構(gòu)，左端為時(shí)鐘信號(hào)輸入端、下端為中間信號(hào)輸入端、上端為信號(hào)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