CN101251701A - “十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门的实现方法 - Google Patents

“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门的实现方法 Download PDF

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Abstract

一类基于二维光子晶体四端口线缺陷波导网络的“十”字波导二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门的实现方法，其做法如下：线性高折射率介质棒在空气或低折射率介质背景中周期性地排列成二维光子晶体，抽掉四排介质杆形成“十”字形四端口交叉波导网络，在波导网络中心交叉点附近设置有一高折射率介质柱(引导杆)，选取适的引导杆位置和半径，再选择适当的输入输出端口即可以分别实现光子晶体光学“或”逻辑门、“非”逻辑门和“异或”逻辑门等。

Description

“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门的实现方法
(一)技术领域
本发明涉及二维光子晶体、光子晶体线缺陷波导网络、点缺陷、非线性介质、光学“或”门、光学“非”门、光学“异或门”。
(二)背景技术
1987年，E.Yablonovitch和S.John首先提出了光子晶体的概念。光子晶体是折射率在空间周期性变化的电介质微结构，其变化的周期与光波长的数量级相同。
经过20年的发展，光子晶体的研究取得了很大的进展。光子晶体可应用于制造高性能的反射镜、光子晶体光波导、发光二极管、波长滤波器、微谐振腔、光开关等各种光子器件。
近年来，光学逻辑器件的研究工作成为一个研究热点。光子逻辑器件是直接利用光子来实现“与”、“或”、“非”等逻辑功能的器件，是实现光学计算的核心器件。光学逻辑器件有可实现并行操作、抗干扰能力强、速度快等优点。
本发明的光学“或”门、光学“非”门、光学“异或门”基于光的干涉原理。输入光分别从两个波导输入，在波导交叉处干涉，然后由各自的输出端输出。在空波导交叉处设置一点缺陷，通过改变其位置，半径，折射率达到改变两路光的相位差，就可以控制输出光强比。
(三)发明内容
发明了“十”字形结构二维光子晶体逻辑“或”门、“非”门、“异或”门。
本发明的“十”字形二维光子晶体逻辑“或”门、“非”门、“异或”门是由二维光子晶体线缺陷构成的“十”字波导和位于“十”字交叉处的点缺陷构成。该逻辑门有两个输入端、一个输出端和一个闲置波出口端。
设光的入射功率为P0，光强超过0.5P0代表逻辑“1”，光强低于0.05P0则代表逻辑“0”.状态“1”和“0”对应的光强有较高的对比度。通过使输出端光强变化实现逻辑“0”与“1”的变化，实现全光控制。该逻辑门响应时间达到皮秒量级。
所发明的光学逻辑“或”门、“非”门、“异或”门结构如图1所示，结构形状相同，均为十字形波导结构，在十字波导交叉中心处附近均设置一个高折射率介质引导杆，但是输入输出端有差异。所发明的“非”门与所发明的“异或”门的输入输出端口位置相同。在图1中，1、2为输入端，4为输出端，或者3、4作为输入端，1作为输出端。
所发明的“非”门的输入端输出端在一条直线上，且输入端离引导杆较近，参考光为剩下两个端口中离引导杆较远的那个，参考光始终存在。在图1中，2为输入端，1为参考光输入端，4为输出端。
所发明的“异或”门的与所发明的上述“非”门只有一处差异，就是上述“非”门中的参考光输入端改为另一个信号输入端。
注意，图1所示的结构是关于通过波导交叉中心和引导杆中心的直线对称的结构，因此，当1与2对调、3与4对调时，结构的逻辑功能不会变化。
对于上述各种逻辑结构，引导杆的直径均有一个最佳值，与之对应，相应的高低逻辑幅度比达到最大值。
光学逻辑“或”门、“非”门、“异或”门输入输出特性，依次参照图3、图4、图5.
(四)附图说明
图1：二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门截面示意图。其中，空白部分为两排空波导，空波导交叉处有一点缺陷，起分光和移相作用。所有介质杆均为线性材料。“或”门输入端分别为1、2，输出端为3.“非”门输入端2，参考光输入端为1，输出端为4.“异或”门输入端分别为1、2，输出端为4.
图2：“十”字交叉空波导处引导杆的位置。其中，实心圆“·”为高折射率线性介质杆。
图3：“或”逻辑门输入输出关系
图4：“非”逻辑门输入输出关系
图5：“异或”逻辑门输入输出关系
(五)具体实施方式
下面结合附图给出几个实施例。
参照图1，“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门由在空气中周期排列的介质柱组成。线性高折射率的介质柱选择为硅(Si)材料，低折射率介质为空气，其折射率分别为3.4和1.晶格常数为1μm，高折射率线性介质柱的半径为0.18μm，阵列数为17×17，工作波长为(1/0.336)μm，即2.9762μm.“或”、“非”、“异或”逻辑门，引导杆的半径都为0.292μm.
若以17×17阵列作一正方形，以正方形的中心对称点为原点，一个晶格常数为单位1建立坐标轴，使正方形的四个端点坐标依次为(-8，-8)、(-8，8)、(8，-8)、(8，8)，则该结构端口1的坐标为(8，0)，端口2的坐标为(0，-8)，端口3坐标为(-8，0)，端口4坐标为(0，8).
参照图1，“或”逻辑门的输入端为1、2，输出端为3.(1)单输入情况(端口1以功率P0输入，端口2以0功率输入)，计算得到端口3的输出功率为0.55P0，端口3逻辑状态为“1”.(2)单输入情况(端口2以功率P0输入，端口1以0功率输入)，计算得到端口3的输出功率为0.52P0，端口3逻辑状态为“1”.(3)双输入情况(端口1，2同时以功率P0输入)，计算得到端口3的输出功率为2P0，端口3逻辑状态为“1”.计算结果列于图3中。图3显示该结构具备“或”功能。计算得到：开光时间达到皮秒量级。
参照图1，“非”逻辑门的输入端为2，输出端为4(端口1始终以功率P0输入).(1)零输入情况(端口2输入功率为0)，计算得到端口4的输出功率为0.64P0，端口4逻辑状态为“1”.(2)有输入情况(端口2同时以功率P0输入)，计算得到端口4的输出功率为0.048P0，端口4逻辑状态为“0”.计算结果列于图4中。图4显示该结构具备“非”功能。计算表明：状态“0”与状态“1”间的对比度最小达到11.2dB，开光时间达到皮秒量级。
参照图1，“异或”逻辑门的输入端为1、2，输出端为4.(1)零输入情况，端口4的输出功率为0，端口4逻辑状态为“0”.(2)单输入情况(端口1以功率P0输入，端口2以0功率输入)，计算得到端口4的输出功率为0.64P0，端口4逻辑状态为“1”.(3)单输入情况(端口2以功率P0输入，端口1以0功率输入)，计算得到端口4的输出功率为0.55P0，端口4逻辑状态为“1”.(4)双输入情况(端口1，2同时以功率P0输入)，计算得到端口4的输出功率为0.048P0，端口4逻辑状态为“0”.计算结果列于图5中。图5显示该结构具备“异或”功能。计算得到：状态“0”与状态“1”间的对比度最小达到10.6dB，开关时间达到皮秒量级。
参照图2，在两个纵横空波导交叉处有一点缺陷，也即引导杆。引导杆的坐标为(-0.188，-0.188).

Claims (7)

1. “十”字波导二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门的实现方法，其特征在于：对于由高折射率介质杆构成的二维光子晶体“十”字形交叉波导四端口网络(交叉中心附近有一高折射率引导杆)，通过选择适当的输入输出端口，可以分别实现光学“或”、“非”、“异或”逻辑功能。
2. 按权力要求1所述的“或”逻辑门实现方法，其特征在于：设有两个信号输入端，一个输出端和一个闲置波输出端，一个接收闲置波的端口；一个输入端与输出端在一条直线上，且输出端离引导杆较近；另一个输入端为剩下两个端口中的一个，且为离引导杆较近的一端；引导杆的直径有一个最佳值，对应最大的高低逻辑幅度比值。
3. 按权力要求1所述的“非”逻辑门实现方法，其特征在于：该逻辑门有一个信号输入端，一个输出端、一个参考光输入端和一个闲置波输出端；参考光始终存在。信号输入端与输出端相对而设置，且信号输入端为离引导杆较近的端口；参考光输入端为剩下的两个端口中的一个，且是离引导杆较远的那个端口；引导杆的直径有一个最佳值，对应最大的高低逻辑幅度比值。
4. 按权力要求1所述的“异或”逻辑门实现方法，其特征在于：将权利要求4中的“非”门的参考光输入端改为第二个信号输入端，即获得“异或”逻辑门。
5. 按权利要求1-4所述的“十”字波导二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门实现方法，其特征在于：组成二维光子晶体的高折射率介质可以是棱柱形，也可以是圆柱形，也可以是任意横截面形状的介质柱。
6. 按权利要求1-4所述的“十”字波导二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门实现方法，其特征在于：组成二维光子晶体的低折射率介质可以为空气，也可以为其它低折射率介质；非线性介质的非线性系数存在一个最佳值，对应最大的高低逻辑幅度比值。
7. 按权利要求1-4所述的“十”字波导二维光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门实现方法，其特征在于：基本逻辑门的工作波长可以通过介质柱的尺寸和形状来调节。基本逻辑门尺寸与工作波长为同一数量级；根据不同的要求，改变结构参数和选择不同的材料，该结构可以适合于任意电磁波波段，包括微波波段、毫米波波段、亚毫米波波段、太赫兹(THz)波段、红外波段、可见光波段、紫外波段、X波段等。
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