CN101840126A - 一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构 - Google Patents

一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，该结构包括第一纳米线波导(5)、第二纳米线波导(6)、第一一维光子晶体光栅(1)、第二一维光子晶体光栅(2)、第三一维光子晶体光栅(3)和第四一维光子晶体光栅(4)，其中，第一一维光子晶体光栅(1)、第一纳米线波导(5)和第二一维光子晶体光栅(2)构成第一F-P谐振腔(7)；第三一维光子晶体光栅(3)、第二纳米线波导(6)和第四一维光子晶体光栅(4)构成第二F-P谐振腔(8)；该第一F-P谐振腔(7)和该第二F-P谐振腔(8)构成级联F-P谐振腔；当光波波长同时等于级联F-P谐振腔中的每个谐振腔的谐振波长时该光波能够通过该级联F-P谐振腔。本发明利用级联F-P谐振腔中的双光子吸收效应，实现了全光逻辑与功能。

Description

一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，尤其涉及一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构。
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“与”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“0”。
  A   B   C
  1   1   1
  1   0   0
  0   1   0
  0   0   0
本发明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。
本发明中涉及到一维光子晶体光栅反射镜以及由一维光子晶体光栅反射镜构成的F-P谐振腔。光子晶体是由不同折射率的介质组成周期性排列而成的人工微结构。在这种微结构中不能传播特定频率的光波，因此我们可以利用光子晶体这个特性来制作我们需要的高反射率反射镜，从而获得F-P谐振腔。目前，利用SOI一维光子晶体做成的F-P谐振腔的Q值最高可以达到53000，这个Q值水平可以和其它谐振腔的Q值相比拟，例如微环谐振腔。由于F-P谐振腔的模场体积要远远小于微环谐振腔的模场体积，因此在F-P谐振腔中需要更低的光功率就可以产生双光子吸收效应，从而可以降低器件的功耗。
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F-P谐振腔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。本发明旨在级联F-P谐振腔中利用双光子吸收效应实现“与”逻辑功能。其工作速率可以达到目前文献中报道的水平。并且利用了F-P腔中模场体积小的特点，可以有效降低器件的功耗。
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可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，以利用级联F-P谐振腔中的双光子吸收效应，实现全光“与”逻辑功能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，该结构包括第一纳米线波导5、第二纳米线波导6、第一一维光子晶体光栅1、第二一维光子晶体光栅2、第三一维光子晶体光栅3和第四一维光子晶体光栅4，其中，第一一维光子晶体光栅1、第一纳米线波导5和第二一维光子晶体光栅2构成第一F-P谐振腔7；第三一维光子晶体光栅3、第二纳米线波导6和第四一维光子晶体光栅4构成第二F-P谐振腔8；该第一F-P谐振腔7和该第二F-P谐振腔8构成级联F-P谐振腔；当光波波长同时等于级联F-P谐振腔中的每个谐振腔的谐振波长时该光波能够通过该级联F-P谐振腔。
上述方案中，所述第一纳米线波导5、第二纳米线波导6、第一一维光子晶体光栅1、第二一维光子晶体光栅2、第三一维光子晶体光栅3和第四一维光子晶体光栅4均由绝缘体上硅的顶层硅制作而成。
上述方案中，所述第一F-P谐振腔7和所述第二F-P谐振腔8分别具有一对反射镜，该反射镜是一维光子晶体反射镜或布拉格光栅反射镜。
上述方案中，波长位于第一F-P谐振腔7或第二F-P谐振腔8谐振波长的泵浦光在第一纳米线波导5或第二纳米线波导6中传输，当泵浦光功率较高时将发生双光子吸收效应，产生自由载流子，此时第一纳米线波导5或第二纳米线波导6的折射率将变小，对应的第一F-P谐振腔7或第二F-P谐振腔8谐振波长将产生蓝移；此时，信号光经过第一F-P谐振腔7或第二F-P谐振腔8的透射率将发生变化，通过观察经过级联F-P谐振腔后的信号光强度变化，找到信号光强度与泵浦光强度的对应关系，进而得到相应的与逻辑关系。
上述方案中，选取第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8的某一共同谐振波长作为该全光逻辑与门结构的工作窗口。
上述方案中，该全光逻辑与门结构在工作时，将信号光波长调整为第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8谐振波长蓝移后的谐振波长，将泵浦光的波长调整为第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8初始的谐振波长，并调制成为归零信号；
两束泵浦光分别耦合进入第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8中，当两束泵浦光功率的逻辑值同时为“0”时，第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8的谐振波长都不发生变化；而信号光偏离级联F-P谐振腔的谐振波长，透射率低，在第一F-P谐振腔7输出端的输出功率低，此时对应的逻辑值为“0”；
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，耦合进第一F-P谐振腔7或第二F-P谐振腔8中的泵浦光将发生双光子吸收效应，产生自由载流子；此时第一纳米线波导5或第二纳米线波导6的折射率发生变化，导致第一F-P谐振腔7或第二F-P谐振腔8中一个的谐振波长发生蓝移；此时信号光经过级联F-P谐振腔的透射率低，其在第一F-P谐振腔7输出端的输出功率低，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，耦合进第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8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；此时第一纳米线波导5和第二纳米线波导6的折射率发生变化，导致第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8的谐振波长都发生蓝移；而信号光的波长恰好等于第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8蓝移后的谐振波长，因此信号光经过级联F-P谐振腔后的透射率较高，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构成相应的与逻辑关系。
上述方案中，该全光逻辑与门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、本发明利用级联F-P谐振腔中的双光子吸收效应，实现了全光“与”的逻辑功能。
2、本发明利用F-P谐振腔模式体积小的特点，并且可以利用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是本发明提供的基于级联F-P谐振腔结构的全光逻辑与门结构的示意图；
图2是本发明提供的第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)谐振波长未发生蓝移时的光谱；
图3是本发明提供的第一F-P谐振腔(7)谐振波长蓝移后的光谱；
图4是本发明提供的第二F-P谐振腔(8)谐振波长蓝移后的光谱；
图5是本发明提供的第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)谐振波长都发生蓝移时的光谱；
图6是本发明提供的基于级联F-P谐振腔结构的全光逻辑与门的逻辑时序图。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
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基条型级联F-P谐振腔结构全光逻辑与门为例，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于级联F-P谐振腔结构的全光逻辑与门结构的示意图，该结构包括第一纳米线波导5，第二纳米线波导6，第一一维光子晶体光栅1，第二一维光子晶体光栅2，第三一维光子晶体光栅3和第四一维光子晶体光栅4。第一纳米线波导5，第二纳米线波导6，第一一维光子晶体光栅1，第二一维光子晶体光栅2，第三一维光子晶体光栅3和第四一维光子晶体光栅4都制作在SOI的顶层硅。9是SOI衬底的埋氧层，(10)是SOI衬底的衬底硅。第一一维光子晶体光栅1，第二一维光子晶体光栅2和第一纳米线波导5构成第一F-P谐振腔7；第三一维光子晶体光栅3，第四一维光子晶体光栅4和第二纳米线波导6构成第二F-P谐振腔8。对于单立F-P谐振腔，只有光波波长位于F-P腔谐振波长时才能透过该F-P腔。而波长在F-P腔非谐振波长上的光波则不能透过F-P腔。对于级联F-P谐振腔，只有当光波波长同时等于每个谐振腔的谐振波长时才能透射，否则光波不能通过级联F-P谐振腔。
实验中我们选取两个F-P谐振腔同一个谐振波长作为器件的工作窗口。将信号光波长设置在谐振波长的蓝边，将两束泵浦光的波长设置在该谐振波长上，并将其调制成RZ信号。为了避免发生干涉效应，我们将泵浦光1从第一F-P谐振腔7左侧注入到级联谐振腔，将泵浦光2和信号光从第二F-P谐振腔8右侧注入到级联谐振腔。
泵浦光1和泵浦光2分别在级联F-P谐振腔中传播。当两束泵浦光功率同时较低，即逻辑值同时为“0”时，第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8的谐振波长都不发生变化；信号光偏离级联F-P谐振腔的谐振波长，其透射率较低，在第一F-P谐振腔7输出端的输出功率较低，此时对应的逻辑值为“0”。此时器件的光谱如图2所示。
当泵浦光1为高功率，泵浦光2为低功率时，泵浦光1在第一F-P谐振腔7中发生双光子吸收效应，产生自由载流子。此时第一纳米线波导5折射率减小，第一F-P谐振腔7的谐振波长发生蓝移。而第二F-P谐振腔8的谐振波长不发生变化。此时，信号光经过级联F-P谐振腔的透射率很低，其在第一F-P谐振腔7输出端的输出功率较低，对应的逻辑值为“0”。此时器件的光谱如图3所示。
当泵浦光1为低功率，泵浦光2为高功率时，泵浦光2在第一F-P谐振腔8中发生双光子吸收效应，产生自由载流子。此时第二纳米线波导6折射率减小，第二F-P谐振腔8的谐振波长发生蓝移。而第一F-P谐振腔7的谐振波长不发生变化。此时，信号光经过级联F-P谐振腔的透射率很低，其在第一F-P谐振腔7输出端的输出功率较低，对应的逻辑值为“0”。此时器件的光谱如图4所示。
当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，耦合进第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8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；此时第一纳米线波导5和第二纳米线波导6的折射率发生变化，导致第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8的谐振波长都发生蓝移。信号光的波长恰好等于第一F-P谐振腔7和第二F-P谐振腔8蓝移后的谐振波长，因此信号光经过级联F-P谐振腔后的透射率较高，对应的逻辑值为“1”。此时器件的光谱如图5所示。
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“与”逻辑关系，其“与”逻辑时序图如图6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 (7)

1.一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，该结构包括第一纳米线波导(5)、第二纳米线波导(6)、第一一维光子晶体光栅(1)、第二一维光子晶体光栅(2)、第三一维光子晶体光栅(3)和第四一维光子晶体光栅(4)，其中，第一一维光子晶体光栅(1)、第一纳米线波导(5)和第二一维光子晶体光栅(2)构成第一F-P谐振腔(7)；第三一维光子晶体光栅(3)、第二纳米线波导(6)和第四一维光子晶体光栅(4)构成第二F-P谐振腔(8)；该第一F-P谐振腔(7)和该第二F-P谐振腔(8)构成级联F-P谐振腔；当光波波长同时等于级联F-P谐振腔中的每个谐振腔的谐振波长时该光波能够通过该级联F-P谐振腔。
2.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，所述第一纳米线波导(5)、第二纳米线波导(6)、第一一维光子晶体光栅(1)、第二一维光子晶体光栅(2)、第三一维光子晶体光栅(3)和第四一维光子晶体光栅(4)均由绝缘体上硅的顶层硅制作而成。
3.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，所述第一F-P谐振腔(7)和所述第二F-P谐振腔(8)分别具有一对反射镜，该反射镜是一维光子晶体反射镜或布拉格光栅反射镜。
4.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，波长位于第一F-P谐振腔(7)或第二F-P谐振腔(8)谐振波长的泵浦光在第一纳米线波导(5)或第二纳米线波导(6)中传输，当泵浦光功率较高时将发生双光子吸收效应，产生自由载流子，此时第一纳米线波导(5)或第二纳米线波导(6)的折射率将变小，对应的第一F-P谐振腔(7)或第二F-P谐振腔(8)谐振波长将产生蓝移；此时，信号光经过第一F-P谐振腔(7)或第二F-P谐振腔(8)的透射率将发生变化，通过观察经过级联F-P谐振腔后的信号光强度变化，找到信号光强度与泵浦光强度的对应关系，进而得到相应的与逻辑关系。
5.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，选取第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)的某一共同谐振波长作为该全光逻辑与门结构的工作窗口。
6.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，该全光逻辑与门结构在工作时，将信号光波长调整为第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)谐振波长蓝移后的谐振波长，将泵浦光的波长调整为第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)初始的谐振波长，并调制成为归零信号；
两束泵浦光分别耦合进入第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)中，当两束泵浦光功率的逻辑值同时为“0”时，第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)的谐振波长都不发生变化；而信号光偏离级联F-P谐振腔的谐振波长，透射率低，在第一F-P谐振腔(7)输出端的输出功率低，此时对应的逻辑值为“0”；
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，耦合进第一F-P谐振腔(7)或第二F-P谐振腔(8)中的泵浦光将发生双光子吸收效应，产生自由载流子；此时第一纳米线波导(5)或第二纳米线波导(6)的折射率发生变化，导致第一F-P谐振腔(7)或第二F-P谐振腔(8)中一个的谐振波长发生蓝移；此时信号光经过级联F-P谐振腔的透射率低，其在第一F-P谐振腔(7)输出端的输出功率低，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，耦合进第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)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；此时第一纳米线波导(5)和第二纳米线波导(6)的折射率发生变化，导致第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)的谐振波长都发生蓝移；而信号光的波长恰好等于第一F-P谐振腔(7)和第二F-P谐振腔(8)蓝移后的谐振波长，因此信号光经过级联F-P谐振腔后的透射率较高，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构成相应的与逻辑关系。
7.根据权利要求1所述的可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构，其特征在于，该全光逻辑与门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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