CN102012600B - 二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其包含四路输入波导和一个输出波导，其中一个输入波导输入控制信号，一个输入波导为空闲波导，另外两个输入波导为信号输入波导；该逻辑门以线缺陷波导网络中心轴线呈镜像对称分布；该逻辑门的每两个输入波导相交处对称中心位置设有一非线性介质杆作为耦合调制区，调制通向下一级输出波导的信号功率；该逻辑门的输出波导距耦合调制区第三个介质杆位置有一非线性介质杆；该可控式与/或逻辑门可用全光信号对光信号进行逻辑控制，具有体积小，结构简单，响应速度快的特点，此外，还可使不同功能全光模块制作于同一种芯片上适用于大规模光电集成。

Description

二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门
技术领域
本发明涉及光电信息技术领域，特别涉及一种适用于全光逻辑基本模块、大规模光集成模块、光通信系统、光计算机可对光信号进行逻辑控制的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门。
背景技术
全光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，被认为是下一代光计算机的核心器件，是实现大规模全光集成的基础器件，也是全光通信中的重要器件。目前已提出的光学逻辑门器件大都需要电光控制，或逻辑功能单一，或利用干涉仪，如马赫-泽德干涉仪(专利号200620115693.X)、萨格纳克干涉仪等系统(专利号200810044878.X)等搭建而成，构造复杂，体积庞大，不利于大规模全光集成。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的不足，提供一种可用全光信号进行逻辑控制的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，由于二维光子晶体本身的结构及工艺特点，可使功能模块能集成于同一块芯片上，具有体积小，结构简单，速度快，制备工艺简单的优势，并可应用于大规模全光集成中，以解决目前光学逻辑门器件构造复杂，体积庞大，不利于大规模全光集成等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其包含四路输入波导和一个输出波导，其中一个输入波导输入控制信号，一个输入波导为空闲波导，另外两个输入波导为信号输入波导；所述逻辑门以线缺陷波导网络中心轴线呈镜像对称分布；所述逻辑门的每两个输入波导相交处对称中心位置设有一非线性介质杆作为耦合调制区，调制通向下一级输出波导的信号功率；所述逻辑门的输出波导距耦合调制区第三个介质杆位置有一非线性介质杆；选择输入波导中的任意一路作为控制信号波导，任意一路空置，则当该控制信号波导输入逻辑信号为“0”时，剩余波导可实现逻辑“与”门；当控制信号端波导输入逻辑信号为“1”时，剩余波导可实现逻辑“或”门。
在本发明中，所述输入波导和输出波导均为含有线缺陷的二维光子晶体结构。
在本发明中，所述线缺陷波导网络为直波导和弯折波导相连构成，所述弯折波导为90度弯折波导或60度弯折波导。
在本发明中，所述二维光子晶体为半导体或有机光电材料，在所述半导体或有机光电材料的基片上刻蚀出周期性排列的非线性介质杆构成所述二维光子晶体。
在本发明中，所述半导体或有机光电材料为硅、二氧化硅、砷化镓、氧化钼、二氧化钛、或其他光子晶体适用材料。
在本发明中，所述非线性介质杆的横截面为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形，所述二维光子晶体的晶格排布为三角晶格、四方晶格或蜂窝结构晶格。
相较于现有技术，本发明选择输入波导中的任意一路作为控制信号波导，任意一路空置，则当该控制信号波导输入逻辑信号为“0”时，剩余波导可实现逻辑“与”门；当控制信号端波导输入逻辑信号为“1”时，剩余波导可实现逻辑“或”门，本发明二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门可以在同一块芯片相同输出输入通道上实现“与”、“或”逻辑功能的控制与转换，响应时间达到皮秒量级。此外，由于二维光子晶体本身的结构及工艺特点，本发明的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门具有体积小，结构简单，制备工艺简单的优势，并可使不同功能模块能集成于同一块芯片上，适合大规模全光集成。
附图说明
图1为本发明二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门的截面图；其中，空白部分为低折射率介质，
Figure GSA00000032524900031
10为二维光子晶体介质杆，
Figure GSA00000032524900032
6、7、8、9为非线性介质杆，标号1、2、3、4为输入波导，标号5为输出波导。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门结构包括四路输入波导1，输入波导2，输入波导3，输入波导4和一路输出波导5。输入波导1、输入波导2、输入波导3、输入波导4和输出波导5均通过去除二维光子晶体中某些排的二维光子晶体介质杆10构成，整体关于该线缺陷波导网络中心轴线呈镜像对称分布。输入波导1和输入波导2相交处设有非线性介质杆6作为耦合区，输入波导3和输入波导4相交处设有非线性介质杆7作为耦合区，然后输入波导1、2与输入波导3、4的相交处设有非线性介质杆8作为耦合区，调制通向下一级输出波导5的信号功率。输出波导5内靠近非线性介质杆8附近还可增置一高折射率的介质引导杆9，增强输出功率。
该线缺陷波导网络可看作直波导和弯折波导相连构成，其中，弯折波导为90°弯折波导或60°弯折波导。该输入波导1、2、3、4和输出波导5均为含有线缺陷的二维光子晶体结构；在较佳运行性能和较小体积下，相邻输入波导之间相距五二维光子晶体介质杆10。
实施本发明二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门的参数如下：线性高折射率的二维光子晶体介质杆10选为硅(Si)材料，其折射率为3.4；周围低折射率介质选为空气，其折射率为1，晶格常数选为1μm，高折射率线性的二维光子晶体介质杆10的半径选为0.18μm，输入信号工作波长为2.9762μm。非线性介质杆6、7的半径为0.36μm，非线性介质杆8的半径为0.45μm，非线性介质杆9的半径为0.275μm，其频率无穷大处的相对介电常数为3.15，二阶归一化非线性系数为0.001，三阶归一化非线性系数为0.314。在本实施例中，PH＝0.4，PL＝0.2，P0为参考功率值。当输出功率P0大于PH时输出为逻辑1，当输出功率P0小于PL时输出为逻辑0。
选择输入波导1为控制波导，输入波导4空置。
(1)当输入波导1以功率P0输入时(即控制端信号逻辑状态为1)，输入波导2、3与输出波导5的功率状态实现“与”逻辑关系，如表1所示。在这种控制信号下，本发明的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门实现“与”逻辑。
(2)当输入波导1以功率0输入时(即控制端信号逻辑状态为0)，输入波导2、3与输出波导5的功率状态实现“或”逻辑关系，如表1所示。在这种控制信号下，本发明的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门实现“或”逻辑。
表1：二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门输入输出特性
本发明中，该二维光子晶体介质杆10折射率与周围填充物质折射率比值大于2。该二维光子晶体介质杆10的周围填充物质也可以是空气。该二维光子晶体介质杆10的折射率也可比周围填充物质折射率小。该二维光子晶体介质杆10的横截面可为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形等形状。二维光子晶体晶格为四方晶格、三角晶格或者蜂窝结构晶格。在本发明中，该二维光子晶体为半导体或有机光电材料，在该半导体或有机光电材料的基片上刻蚀出周期性排列的非线性介质杆构成所述二维光子晶体。该半导体或有机光电材料为硅、二氧化硅、砷化镓、氧化钼、二氧化钛或其他光子晶体适用材料。
光学逻辑器件的逻辑值定义如下：以一定波长的、功率为P0的波为参考，相对光强超过(或等于)PH代表逻辑“1”，低于PL代表逻辑“0”.在本实施例中，可以定义PH＝0.4，PL＝0.2，但不限于此数值。
本发明的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门可以在同一块芯片相同输出输入通道上实现“与”、“或”逻辑功能的控制与转换，响应时间达到皮秒量级。由于二维光子晶体本身的结构及工艺特点，本发明的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门具有体积小，结构简单，制备工艺简单的优势，并可使不同功能模块能集成于同一块芯片上，尤其适合大规模全光集成。本发明不仅适用通信波段，还适用于其他波段的信号逻辑控制。
本发明二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门通过线缺陷波导网络以及非线性介质杆实现可控的“与”、“或”逻辑选择功能。由于不同输入信号组合对应不同的输入总光强，使得耦合区非线性介质杆的折射率发生变化，从而使光波导的传输特性发生变化，从而实现“与/或”逻辑的控制功能。
选择四路输入波导中的任意一路作为控制信号波导，任意一路空置，则当该控制信号波导输入逻辑信号为“0”时，剩余波导可实现逻辑“与”门；当控制信号端波导输入逻辑信号为“1”时，剩余波导可实现逻辑“或”门。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：其包含四路输入波导和一个输出波导，其中一个输入波导输入控制信号，一个输入波导为空闲波导，另外两个输入波导为信号输入波导；所述逻辑门以线缺陷波导网络中心轴线呈镜像对称分布；所述逻辑门的第一输入波导和第二输入波导相交处设有第一非线性介质杆作为第一耦合区，第三输入波导和第四输入波导相交处设有第二非线性介质杆作为第二耦合区，然后第一、第二输入波导的第一耦合区的输出部与第三、第四输入波导的第二耦合区的输出部相交处设有第三非线性介质杆作为第三耦合区，调制通向输出波导的信号功率；选择第一输入波导为控制波导，第四输入波导空置；以一定波长的、功率为P0的波为参考，相对光强大于或等于PH代表逻辑“1”，低于PL代表逻辑“0”，当第一输入波导以控制端信号输入逻辑状态为1时，第二、第三输入波导与输出波导的功率状态实现“与”逻辑关系；当第一输入波导以控制端信号输入逻辑状态为0时，第二、第三输入波导与输出波导的功率状态实现“或”逻辑关系。
2、根据权利要求1所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述输入波导和输出波导均为含有线缺陷的二维光子晶体结构。
3、根据权利要求1所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述线缺陷波导网络为直波导和弯折波导相连构成，所述弯折波导为90度弯折波导或60度弯折波导。
4、根据权利要求1所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述二维光子晶体为半导体或有机光电材料，在所述半导体或有机光电材料的基片上刻蚀出周期性排列的线性介质杆构成所述二维光子晶体。
5、根据权利要求4所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述半导体材料为硅或砷化镓。
6、根据权利要求4所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述线性介质杆的横截面为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。
7、根据权利要求1所述的二维光子晶体可控式“与/或”逻辑门，其特征在于：所述二维光子晶体的晶格排布为三角晶格、四方晶格或蜂窝结构晶格。
 
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