CN102053450A - 基于四波混频效应的微环谐振腔结构全光逻辑与门 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子器件技术领域，公开了一种基于四波混频效应来提高工作速率的微环谐振腔结构全光逻辑与门。两束经过调制的泵浦光经过纳米线波导耦合进微环谐振腔并发生四波混频效应，产生新波长的卫星光。通过对卫星光的探测可以找出其与这两束泵浦光光功率的对应关系，从而得到相应的逻辑对应关系，最终实现“与”逻辑运算功能。利用本发明，克服了自由载流子寿命对器件工作速率的限制，提高了器件的工作速率。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，尤其涉及一种基于四波混频效应来提高工作速率的微环谐振腔结构全光逻辑与门。
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至少一个不为“1”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，如四波混频、双光子吸收效应等，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。其中，四波混频效应是指，在半导体材料中，由于三阶非线性效应，不同波长的两束或三束光波相互作用而导致在其它波长上产生边带新波长的卫星光。而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。
目前，传统上已经有基于双光子吸收效应的是SOI基微环谐振腔全光逻辑与门被研制出来。其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。该逻辑与门的光学结构与本文提到的光学结构大体相似，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。
上述利用双光子吸收效应的SOI基微环谐振腔结构全光逻辑与门的工作速率主要受到光生载流子寿命的限制。目前，康奈尔大学研制的硅基微环谐振腔结构全光逻辑与门的工作速率为310Mbit/s。本发明旨在利用四波混频效应实现“与”逻辑运算操作的微环谐振腔全光逻辑门。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提出一种基于四波混频效应来提高工作速率的微环谐振腔结构全光逻辑与门，以克服自由载流子寿命对器件工作速率的限制，从而提高器件的工作速率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于四波混频效应的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其光学波导结构包括纳米线波导1、微环谐振腔2和它们之间的间隙3，两束泵浦光在微环谐振腔2中发生四波混频效应，在其边带产生新波长的卫星光和共轭光，该卫星波和共轭波从微环谐振腔2中耦合到纳米线波导1，并作为信号光在纳米线波导1的输出端被探测到，利用泵浦光与卫星光光强之间的对应关系可得到相应的逻辑关系：工作时，泵浦光的波长调整为微环谐振腔2的谐振波长，并调制成为归零信号，泵浦光通过纳米线波导1耦合进微环谐振腔2；当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，在微环谐振腔2内会发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，并且卫星光会部分耦合到纳米线波导1，并且在输出端被探测到，其对应的逻辑值为“1”；当两束泵浦光功率不同时为高功率，或者都为低功率时，其对应的逻辑值为“1”和“0”，及“0”和“0”，在微环谐振腔2内不会发生四波混频效应，在纳米线波导1的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”；因此，泵浦光产生卫星光的光功率与两束泵浦光的光强之间的对应关系可构成相应的“与”逻辑对应关系。
上述方案中，该微环谐振腔结构全光逻辑与门制作在绝缘体上的硅SOI或砷化镓衬底上，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，该微环谐振腔结构全光逻辑与门的光学波导结构适用于满足单模传输条件的脊型和条形波导结构。
上述方案中，所述间隙3是在纳米线波导1与微环谐振腔2之间刻蚀出的特定的间隙3，使微环谐振腔2满足临界耦合条件，将处在谐振波长的光波可完全耦合进微环谐振腔2。
上述方案中，两束泵浦光在微环谐振腔2中会发生四波混频效应，在其边带会产生新波长的卫星光和共轭光，该卫星波和共轭波都可作为信号光通过纳米线波导1输出，并最终被探测，其中由于卫星光的波长转换效率较高，通常利用卫星光作为信号光。
上述方案中，两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔2，当其功率均为高功率时，即对应的逻辑值均为“1”时，在微环谐振腔2内会发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，并且部分卫星光会耦合到纳米线波导1，并且在输出端被探测到，其对应的逻辑值为“1”。
上述方案中，两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔2，当其功率只有一个为高功率时，即对应的逻辑值为“1”和“0”或“0”和“1”，此时微环谐振腔2内不能发生四波混频效应，因此在纳米线波导1的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。
上述方案中，两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔2，当其功率均为低功率时，即对应的逻辑值均为“0”，在微环谐振腔2内不会发生四波混频效应，在纳米线波导1的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。
上述方案中，该微环谐振腔结构全光逻辑与门采用微环谐振腔结构，利用微环谐振腔的光强谐振增强效应，能有效降低泵浦光的工作光功率。
(三)有益效果
本发明提供的这种基于四波混频效应的微环谐振腔结构全光逻辑与门，在该器件中泵浦光直接进行波长变换，克服了传统微环谐振腔全光逻辑门工作速率受光生载流子寿命限制的缺陷，其工作速率可以完全超过当前基于双光子吸收效应的微环谐振腔全光逻辑与门的工作速率。
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给出了本发明涉及的微环谐振腔结构全光逻辑与门的立体图。
图2给出了本发明涉及的微环谐振腔中四波混频波长变换示意图。
图3给出了本发明涉及的微环谐振腔结构全光逻辑与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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种基于四波混频效应来提高工作速率的微环谐振腔结构全光逻辑与门，两束经过调制的泵浦光经过纳米线波导耦合进微环谐振腔并发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，通过对卫星光的探测可以找出其与这两束泵浦光光功率的对应关系，从而得到相应的逻辑对应关系，最终实现“与”逻辑运算功能。
请参阅附图1、2和3，下面将以SOI基脊型微环谐振腔结构全光逻辑与门为例进行说明。
整个器件制作在SOI衬底上，衬底硅5和埋氧层4是SOI衬底的一部分。纳米线波导1和微环谐振腔2通过半导体工艺技术制作在SOI衬底上。纳米线波导1和微环谐振腔2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和微环谐振腔2隆出的部分就是内脊区。在纳米线波导1和微环谐振腔2之间制作出合适的间隙3，使得微环谐振腔2满足临界耦合条件，使得满足微环谐振腔2谐振波长的光波可以经过纳米线波导1完全耦合进微环谐振腔2内。
在图1纳米线波导1的输入端引入一个Y型合束器，它的合束端与纳米线波导1相连，其两个分支分别为分支6和分支7。这两束泵浦光分别从Y型合束器的分支6和分支7注入到纳米线波导1中。工作时，两束泵浦光调节为微环谐振腔2邻近的两个谐振波长，其波长相差一个自由光谱范围。这两束泵浦光经过调制后得到归零信号，其码型如图3所示。将光波的高功率定义为逻辑值“1”，低功率定义为逻辑值“0”。这两束经过调制后的泵浦光，通过Y型合束器注入到纳米线波导1，最终完全耦合进微环谐振腔2。
当这两束泵浦光在微环谐振腔2中发生四波混频效应时，在其边带会产生新波长的卫星光和共轭光，其波长变换示意图如图2所示。由于卫星光的波长转换效率较高，因此我们选择对卫星光进行探测。该SOI基脊型微环谐振腔结构全光逻辑与门的工作逻辑时序图如图3所示。当这两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，在微环谐振腔2内会发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，并且部分卫星光会耦合到纳米线波导1，并且在输出端被探测到，其对应的逻辑值为“1”。当这两束泵浦光功率不同时为高功率时，其对应的逻辑值为“1”和“0”，此时微环谐振腔2内不能发生四波混频效应，因此在纳米线波导的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。当这两束泵浦光功率都为低功率时，其对应的逻辑值为“0”和“0”，微环谐振腔内2不会发生四波混频效应，在纳米线波导1的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。
综上所述，SOI基脊型微环谐振腔结构全光逻辑与门是利用微环谐振腔2中的四波混频效应产生新波长的卫星光，通过对卫星光的探测找出其与泵浦光光功率的对应关系，从而得到相应的逻辑对应关系，最终实现“与”逻辑运算功能。
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 (9)
1.一种基于四波混频效应的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其光学波导结构包括纳米线波导(1)、微环谐振腔(2)和它们之间的间隙(3)，其特征在于，两束泵浦光在微环谐振腔(2)中发生四波混频效应，在其边带产生新波长的卫星光和共轭光，该卫星波和共轭波从微环谐振腔(2)中耦合到纳米线波导(1)，并作为信号光在纳米线波导(1)的输出端被探测到，利用泵浦光与卫星光光强之间的对应关系可得到相应的逻辑关系：工作时，泵浦光的波长调整为微环谐振腔(2)的谐振波长，并调制成为归零信号，泵浦光通过纳米线波导(1)耦合进微环谐振腔(2)；当两束泵浦光功率同时较高，即逻辑值同时为“1”时，在微环谐振腔(2)内会发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，并且卫星光会部分耦合到纳米线波导(1)，并且在输出端被探测到，其对应的逻辑值为“1”；当两束泵浦光功率不同时为高功率，或者都为低功率时，其对应的逻辑值为“1”和“0”，及“0”和“0”，在微环谐振腔(2)内不会发生四波混频效应，在纳米线波导(1)的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”；因此，泵浦光产生卫星光的光功率与两束泵浦光的光强之间的对应关系可构成相应的“与”逻辑对应关系。
2.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：该微环谐振腔结构全光逻辑与门制作在绝缘体上的硅SOI或砷化镓衬底上。
3.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：该微环谐振腔结构全光逻辑与门的光学波导结构适用于满足单模传输条件的脊型和条形波导结构。
4.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：所述间隙(3)是在纳米线波导(1)与微环谐振腔(2)之间刻蚀出的特定的间隙(3)，使微环谐振腔(2)满足临界耦合条件，将处在谐振波长的光波可完全耦合进微环谐振腔(2)。
5.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：两束泵浦光在微环谐振腔(2)中会发生四波混频效应，在其边带会产生新波长的卫星光和共轭光，该卫星波和共轭波都可作为信号光通过纳米线波导(1)输出，并最终被探测，其中由于卫星光的波长转换效率较高，通常利用卫星光作为信号光。
6.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔(2)，当其功率均为高功率时，即对应的逻辑值均为“1”时，在微环谐振腔(2)内会发生四波混频效应，产生新波长的卫星光，并且部分卫星光会耦合到纳米线波导(1)，并且在输出端被探测到，其对应的逻辑值为“1”。
7.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔(2)，当其功率只有一个为高功率时，即对应的逻辑值为“1”和“0”或“0”和“1”，此时微环谐振腔(2)内不能发生四波混频效应，因此在纳米线波导(1)的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。
8.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：两束泵浦光分别经过调制后耦合进微环谐振腔(2)，当其功率均为低功率时，即对应的逻辑值均为“0”，在微环谐振腔(2)内不会发生四波混频效应，在纳米线波导(1)的输出端探测不到卫星光，其对应的逻辑值为“0”。
9.根据权利要求1所述的微环谐振腔结构全光逻辑与门，其特征在于：该微环谐振腔结构全光逻辑与门采用微环谐振腔结构，利用微环谐振腔的光强谐振增强效应，能有效降低泵浦光的工作光功率。
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