CN101794053B - 基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，该结构包括第一纳米线波导、第二纳米线波导和微环谐振腔，其中第一纳米线波导与第二纳米线波导互相平行，微环谐振腔位于第一纳米线波导与第二纳米线波导之间，且微环谐振腔与第一纳米线波导之间以及微环谐振腔与第二纳米线波导之间均有一定的间隙，该间隙使得微环谐振腔满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔谐振波长的光波能经过第一纳米线波导或第二纳米线波导完全耦合进微环谐振腔内，在第一纳米线波导或第二纳米线波导的输出端实现消光。本发明利用微环谐振腔中的双光子吸收效应，实现了全光“异或非”的逻辑功能。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，尤其涉及一种基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构。
背景技术
全光逻辑门是未来光计算中的基本逻辑单元，是关键的核心器件。类似于电子学中的逻辑门，全光逻辑门是以波导中的光子作为信息的载体，通过控制泵浦光来调制信号光的输出。波导的各个输入输出端的对应关系可以构成一个真值表，其中逻辑状态(“0”或“1”)由端口的泵浦光和信号光的光功率决定：高功率对应逻辑值“1”，而低功率对应逻辑值“0”。而“异或非”逻辑的如下真值表所示：当控制信号A，B都为“1”时，对应的信号C为“1”；当控制信号A，B其中一个为“1”时，对应的信号C为“0”；当控制信号A，B都为“0”时，对应的信号C为“1”。
| A | B | C |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 |
本文中涉及到脊型和条形两种光学波导结构。其中脊型波导形状如“凸”字形，中间突出的部分成为内脊区，两边的延伸部分成为平板区。在波导中传播的光波主要限制在内脊区内。一方面脊型波导结构的内脊区和平板区的有效折射率差相对较小，因此放宽了波导的单模传输条件；另一方面脊型波导的平板区为有源器件提供了掺杂区，通常脊型波导主要应用在有源器件的设计和制作中。而条形波导的横截面为矩形，由于波导区与周围材料的折射率差比较大，因此可以做出更小尺寸的器件。目前，在SOI衬底上制作的条形波导微环谐振腔的半径最小可达1.5微米。
微环谐振腔结构具有小尺寸，高消光比，波长灵敏等特点而成为研究热点。其工作原理是，作为封闭回路的微环谐振腔具有特定的谐振波长，处在谐振波长的光波在微环谐振腔中可以形成驻波。处在谐振波长的光波经过纳米线波导可以部分耦合进微环谐振腔，当满足临界耦合条件时，即从纳米线波导耦合进微环谐振腔的功率等于光波经过微环谐振腔传播一周的损耗，该光波可以完全耦合到微环谐振腔内。此时，在纳米线波导的输出端几乎探测不到该光波，即出现消光的现象。
在半导体材料中会发生很多非线性光学效应，如双光子吸收效应等。我们可以利用这些非线性光学效应设计不同功能的全光逻辑门。双光子吸收效应是指，半导体材料可以同时吸收两个能量光子(1/2Eg＜光子能量＜Eg，Eg为半导体禁带宽度)激发价带电子形成电子空穴对。因为材料的折射率会随着载流子浓度变化，因此我们在微环谐振器中可以利用光生载流子改变材料的折射率来调制信号光的强度，最终实现全光逻辑。
目前，已经有基于SOI微环谐振腔双光子吸收效应的全光逻辑“与”门被研制出来。其波导结构是全通型微环谐振器结构，主要利用双光子吸收效应，通过泵浦光改变微环谐振腔对信号光吸收来实现逻辑与的功能。当微环谐振腔中的两束泵浦光功率不同时为高功率时，即逻辑值不同时为“1”，泵浦光对微环谐振腔的影响很小，处在谐振波长的信号光完全耦合进谐振腔中，纳米线波导的输出端探测到信号光功率很弱，对应的逻辑值为“0”。当微环谐振腔中的两束泵浦光功率足够高时，即其逻辑值都为“1”。由于发生双光子吸收效应会产生自由载流子。根据等离子色散效应，硅材料的折射率会发生变化，从而微环谐振腔的谐振波长会发生蓝移。这时微环谐振腔对信号光吸收很小，从而在纳米线波导的输出端探测信号光较强，逻辑值为“1”。因此，探测到的信号光光强与泵浦光光强之间的对应关系可以构成相应的与逻辑关系。
上述基于SOI微环谐振腔双光子吸收效应的全光逻辑门实现了“与”逻辑功能。其工作速率可达310Mbit/s。本发明旨在于Add-Drop型微环谐振器中利用双光子吸收效应实现“异或非”新型逻辑功能。其工作速率可以达到目前文献中报道的水平，而且如果利用其他方法减小波导中的自由载流子寿命，其工作速率可以达到5Gbit/s，甚至更高水平。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，以利用微环谐振腔中的双光子吸收效应，实现全光“异或非”的逻辑功能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，该结构包括第一纳米线波导1、第二纳米线波导2和微环谐振腔3，其中第一纳米线波导1与第二纳米线波导2互相平行，微环谐振腔3位于第一纳米线波导1与第二纳米线波导2之间，且微环谐振腔3与第一纳米线波导1之间以及微环谐振腔3与第二纳米线波导2之间均有一定的间隙，该间隙使得微环谐振腔3满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔3谐振波长的光波能经过第一纳米线波导1或第二纳米线波导2完全耦合进微环谐振腔3内，在第一纳米线波导1或第二纳米线波导2的输出端实现消光。
上述方案中，所述第一纳米线波导1的输入端为一Y型合束器，该Y型合束器的合束端与第一纳米线波导1的本体相连，两个分支分别作为泵浦光和信号光的输入端口。
上述方案中，所述第一纳米线波导1和第二纳米线波导2中传输有泵浦光，该泵浦光在高功率时在微环谐振腔3中发生双光子吸收效应，产生自由载流子，此时，微环谐振腔3的折射率会发生变化，并且微环谐振腔3的谐振波长会蓝移，导致第一纳米线波导1中的信号光在微环谐振腔3与第一纳米线波导1间耦合区的透射率发生变化，通过观察信号光在第一纳米线波导1输出端强度随泵浦光强度的变化关系，可得到相应的异或非逻辑关系。
上述方案中，该结构在工作时，将信号光波长调整为微环谐振腔3谐振波长蓝移后的谐振波长，将泵浦光的波长调整为微环谐振腔3的谐振波长，并调制成为归零信号，同时也将信号光调制为相同比特率的脉冲信号序列；
两束泵浦光分别通过第一纳米线波导1和第二纳米线波导2耦合进入微环谐振腔3，当两束泵浦光功率同时较低，即逻辑值同时为“0”时，微环谐振腔3的谐振波长不发生变化；信号光偏离微环谐振腔3的谐振波长，其在耦合区的透射率较高，在第一纳米线波导1输出端的输出功率较高，此时对应的逻辑值为“1”；
当两束泵浦光功率不同时为高功率时，其逻辑值为“0”和“1”或“1”和“0”时，耦合进微环谐振腔3中的泵浦光会发生双光子吸收效应，产生自由载流子；此时微环谐振腔3的折射率发生变化，其谐振波长蓝移，并且与信号光波长相同；此时信号光在第一纳米线波导1输出端出现消光，其输出功率很低，对应的逻辑值为“0”；
当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，耦合进微环谐振腔3中的两束泵浦光都会发生双光子吸收效应，产生自由载流子，导致微环谐振腔3的折射率发生变化，谐振波长蓝移；此时，产生的自由载流子浓度更多，微环谐振腔3的折射率变化更大，从而导致微环谐振腔3的谐振波长蓝移量更大；蓝移后的谐振波长在信号光波长的蓝边，与信号光波长偏离较远，此时信号光在耦合区的透射率较高，因此其在第一纳米线波导1输出端的输出功率较高，对应的逻辑值为“1”；
因此，泵浦光功率与信号光的输出功率之间的对应关系可以构成相应的“异或非”逻辑对应关系。
上述方案中，所述第一纳米线波导1、第二纳米线波导2和微环谐振腔3均由绝缘体上硅的顶层硅制作而成。
上述方案中，所述第一纳米线波导1、第二纳米线波导2和微环谐振腔3制作在砷化镓材料衬底上，或其它三阶非线性光学效应强，同时又适合于制作光波导的任何光学材料。
上述方案中，所述第一纳米线波导1、第二纳米线波导2和微环谐振腔3均是脊型波导结构。
上述方案中，该结构适用于满足单模传输条件的脊型或条形波导结构。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用微环谐振腔中的双光子吸收效应，实现了全光“异或非”的逻辑功能。
2、由于采用了微环谐振腔结构，可以利用微环谐振腔的光强谐振增强效应，从而能有效降低泵浦光的工作光功率，有利于实际应用。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的描述，其中：
图1示出了本发明提供的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构的立体图；
图2示出了本发明提供的微环谐振腔谐振波长蓝移前的光谱图；
图3示出了本发明提供的微环谐振腔谐振波长蓝移前后在信号光波长附近的光谱图；
图4示出了本发明提供的微环谐振腔结构全光逻辑异或非门工作时的逻辑时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下以SOI基脊型微环谐振腔结构全光逻辑异或非门为例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1示出了本发明提供的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构的示意图，该结构包括第一纳米线波导1、第二纳米线波导2和微环谐振腔3，其中第一纳米线波导1与第二纳米线波导2互相平行，微环谐振腔3位于第一纳米线波导1与第二纳米线波导2之间，且微环谐振腔3与第一纳米线波导1之间以及微环谐振腔3与第二纳米线波导2之间均有一定的间隙，该间隙使得微环谐振腔3满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔3谐振波长的光波能经过第一纳米线波导1或第二纳米线波导2完全耦合进微环谐振腔3内，在第一纳米线波导1或第二纳米线波导2的输出端实现消光。
第一纳米线波导1或第二纳米线波导2中传输有泵浦光，该泵浦光在高功率时在微环谐振腔3中发生双光子吸收效应，产生自由载流子，此时，微环谐振腔3的折射率会发生变化，并且微环谐振腔3的谐振波长会蓝移，导致第一纳米线波导1中的信号光在微环谐振腔3与第一纳米线波导1间耦合区的透射率发生变化，通过观察信号光在第一纳米线波导1输出端强度随泵浦光强度的变化关系，可得到相应的异或非逻辑关系。
本实施例提供的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构制作在SOI衬底上，衬底硅7和埋氧层6是SOI衬底的一部分。纳米线波导1、2和微环谐振腔3通过半导体工艺技术制作在SOI衬底上。纳米线波导1、2和微环谐振腔3都是脊型波导结构，光波主要限制在内脊区。图1中纳米线波导1、2和微环谐振腔3隆出的部分就是内脊区。在纳米线波导1、2和微环谐振腔3之间制作出合适的间隙4、5，使得微环谐振腔3满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔3谐振波长的光波可以经过纳米线波导1、2完全耦合进微环谐振腔3内，并且我们要求微环谐振腔3的Q值很高，其3dB带宽很小。
第一纳米线波导1的输入端为一Y型合束器，该Y型合束器的合束端与第一纳米线波导1的本体相连，两个分支(分支8和分支9)分别作为泵浦光和信号光的输入端口。
本实施例选用两束线宽较宽的激光器分别作泵浦光1和泵浦光2，要求激光器的线宽可以覆盖微环谐振腔3谐振波长蓝移的波长范围，保证微环谐振腔3谐振波长蓝移后，泵浦光1和泵浦光2依然可以注入到微环谐振腔3中。泵浦光1、信号光和泵浦光2分别经过Y型合束器的分支8、分支9和纳米线波导2注入到硅基波导中。
工作时，将泵浦光1和泵浦光2调制成归零信号，并将其调节到微环谐振腔3初始谐振波长上，如图2所示。将信号光调制成与泵浦光相同比特率的脉冲信号，并且将波长调节到微环谐振腔3蓝移后的谐振波长上，如图3所示，信号光波长就调节到泵浦光逻辑值为“0”和“1”时微环谐振腔3的谐振波长上，即绿色谱线对应的谐振波长。
当两束泵浦光功率同时较低，即逻辑值同时为“0”时，微环谐振腔3的谐振波长不发生变化。信号光偏离微环谐振腔3的谐振波长，其在微环谐振腔3和纳米线波导1之间耦合区的透射率较高，在纳米线波导1输出端的输出功率较高，此时对应的逻辑值为“1”。
当两束泵浦光功率不同时为高功率，其逻辑值为“0”和“1”或“1”和“0”时，耦合进微环谐振腔3中的泵浦光会发生双光子吸收效应，产生自由载流子。此时微环谐振腔3的折射率发生变化，其谐振波长蓝移，并且与信号光波长相同。此时信号光在纳米线波导1输出端出现消光，对应的逻辑值为“0”。
当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，耦合进微环谐振腔3中的两束泵浦光都会发生双光子吸收效应，产生自由载流子，导致微环谐振腔3的折射率发生变化，谐振波长蓝移。此时，微环谐振腔3中的光生由载流子浓度更多，材料的折射率变化更大，从而导致微环谐振腔3的谐振波长蓝移量更大。蓝移后的谐振波长在信号光波长的蓝边，与信号光波长偏离较远。此时信号光在微环谐振腔3和纳米线波导1之间耦合区的透射率较高，在纳米线波导1输出端的输出功率较高，对应的逻辑值为“1”。
综上所述，泵浦光功率与信号光的输出功率之间的对应关系可以构成相应的“异或非”逻辑关系，其“异或非”逻辑时序图如图4所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，该结构包括第一纳米线波导(1)、第二纳米线波导(2)和微环谐振腔(3)，其中第一纳米线波导(1)与第二纳米线波导(2)互相平行，微环谐振腔(3)位于第一纳米线波导(1)与第二纳米线波导(2)之间，且微环谐振腔(3)与第一纳米线波导(1)之间以及微环谐振腔(3)与第二纳米线波导(2)之间均有一定的间隙，该间隙使得微环谐振腔(3)满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔(3)谐振波长的光波能经过第一纳米线波导(1)或第二纳米线波导(2)完全耦合进微环谐振腔(3)内，在第一纳米线波导(1)或第二纳米线波导(2)的输出端实现消光。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(1)的输入端为一Y型合束器，该Y型合束器的合束端与第一纳米线波导(1)的本体相连，两个分支分别作为泵浦光和信号光的输入端口。
3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(1)和第二纳米线波导(2)中传输有泵浦光，该泵浦光在高功率时在微环谐振腔(3)中发生双光子吸收效应，产生自由载流子，此时，微环谐振腔(3)的折射率会发生变化，并且微环谐振腔(3)的谐振波长会蓝移，导致第一纳米线波导(1)中的信号光在微环谐振腔(3)与第一纳米线波导(1)间耦合区的透射率发生变化，通过观察信号光在第一纳米线波导(1)输出端强度随泵浦光强度的变化关系，可得到相应的异或非逻辑关系。
4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，该结构在工作时，将信号光波长调整为微环谐振腔(3)谐振波长蓝移后的谐振波长，将泵浦光的波长调整为微环谐振腔(3)的谐振波长，并调制成为归零信号，同时也将信号光调制为相同比特率的脉冲信号序列；
两束泵浦光分别通过第一纳米线波导(1)和第二纳米线波导(2)耦合进入微环谐振腔(3)，当两束泵浦光功率同时较低，即逻辑值同时为“0”时，微环谐振腔(3)的谐振波长不发生变化；信号光偏离微环谐振腔(3)的谐振波长，其在耦合区的透射率较高，在第一纳米线波导(1)输出端的输出功率较高，此时对应的逻辑值为“1”；
当两束泵浦光功率不同时为高功率时，其逻辑值为“0”和“1”或“1”和“0”时，耦合进微环谐振腔(3)中的泵浦光会发生双光子吸收效应，产生自由载流子；此时微环谐振腔(3)的折射率发生变化，其谐振波长蓝移，并且与信号光波长相同；此时信号光在第一纳米线波导(1)输出端出现消光，其输出功率很低，对应的逻辑值为“0”；
当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1 ”时，耦合进微环谐振腔(3)中的两束泵浦光都会发生双光子吸收效应，产生自由载流子，导致微环谐振腔(3)的折射率发生变化，谐振波长蓝移；此时，产生的自由载流子浓度更多，微环谐振腔(3)的折射率变化更大，从而导致微环谐振腔(3)的谐振波长蓝移量更大；蓝移后的谐振波长在信号光波长的蓝边，与信号光波长偏离较远，此时信号光在耦合区的透射率较高，因此其在第一纳米线波导(1)输出端的输出功率较高，对应的逻辑值为“1”；
因此，泵浦光功率与信号光的输出功率之间的对应关系可以构成相应的“异或非”逻辑对应关系。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(1)、第二纳米线波导(2)和微环谐振腔(3)均由绝缘体上硅的顶层硅制作而成。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(1)、第二纳米线波导(2)和微环谐振腔(3)制作在砷化镓材料衬底上。
7.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(1)、第二纳米线波导(2)和微环谐振腔(3)均是脊型波导结构。
8.根据权利要求1所述的基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构，其特征在于，该结构适用于满足单模传输条件的脊型或条形波导结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120307 Termination date: 20130301 |