CN102323707A - 一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构。本发明通过设计特殊的干涉臂结构，使从不同端口输入器件的同相光产生相位差，同时利用耦合模理论计算干涉臂的长度使输入光通过干涉臂之后的相位差是π的偶数倍；设计合波区域的结构使干涉光充分耦合，最终在输出波导实现逻辑异或运算。本发明采用二维空气背景介质柱正方晶格材料，介质柱材料为晶体硅，折射率是3.48，设计了独特的干涉臂和合波区域结构，可实现1550nm窗口的宽带异或运算，为微型光子集成提供了新的方法。

Description

一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构

技术领域

本发明涉及一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，属于光逻辑门技术领域。

背景技术

21世纪是一个以网络为核心的信息时代，人们对信息的需求与日俱增，对网络的传输速率和信息处理速率均有更高的要求。作为一种仅以光的形式(无光电转换)实现数据的传输和处理的网络方案，全光网络能提供高速、大容量的传输及处理能力，突破现有网络光/电转换的瓶颈，而全光逻辑门是实现全光网络光交换的核心器件和决定网络性能的关键因素，因而获得了越来越多的关注。

目前为止，全光逻辑门主要有基于半导体光放大器的全光逻辑门(文献1，Jae Hun Kim，Young Min Jhon，Young Tae Byun，et al.″All-optical XOR gate using semiconductor opticalampli-fiers without additional input beam″，IEEE Photonics Technology Letters，2002，14(10)：1436-1438，和文献2，Shaozhen Ma，Zhe Chen，Hongzhi Sun，Niloy K.Dutta，″High speed all opticallogic gates based on quantum dot semiconductor optical amplifers″，29March 2010/Vol.18，No.7/OPTICS EXPRESS 6417)，利用太赫兹光非对称解复用器实现全光逻辑门(文献3，Yue-Kai Huang，Ivan Glesk，Raji Shankar，and Paul R.Prucnal，″Simultaneous all-optical 3Rregeneration scheme with improved scalability using TOAD″，30October 2006/Vol.14，No.22/OPTICS EXPRESS)，利用级联微腔实现全光逻辑门(文献4，J.F.Song，Q.Fang，T.Y.Liow，H.Cai，M.B.Yu，GQ.Lo，and D.-L.Kwong″Demonstration of directed XOR/XNOR logic gates using twocascaded microring resonators，″May 15，2010/Vol.35，No.10/OPTICS LETTERS)，和基于光子晶体的全光逻辑门等等。其中，光子晶体全光逻辑门作为一种新的研究领域，由于光子晶体具有抑制自发辐射、体积小、易于集成、低功耗等特性，有希望在全光网络的大规模光分组交换模块中得到更广泛的应用。由于光子晶体在光逻辑门应用中具有巨大优势和潜力，所以近年来得到了广泛的研究同时也得到了很多有创造性的研究成果。例如：2009年ParisaAndalib等人的研究中提出并仿真了利用光子晶体环状微腔的光逻辑门(参考文献5，ParisaAndalib*and Nosrat Granpayeh，“All-optical ultracompact photonic crystal AND gate based onnonlinear ring resonators”，J.Opt.Soc.Am.B/Vol.26，No.1/January 2009)2007年YuanliangZhang等人提出利用光子晶体自准直效应实现光逻辑门(文献6，Yuanliang Zhang，Yao Zhang，and Baojun Li，″Optical switches and logic gates based on self-collimated beams in two-dimensionalphotonic crystals″，23July 2007/Vol.15，No.15/OPTICS EXPRESS)；2010年Ye Liu等人利用非线性光子晶体耦合腔之间相互干涉制作了高Q值的逻辑门(参考文献7，Ye Liu，FeiQin，Zi-Ming Meng，Fei Zhou，Qing-He Mao，and Zhi-Yuan，“All-optical logic gates based ontwo-dimensional low-refractive-index nonlinear photonic crystal slabs”，31January 2011/Vol.19，No.3/OPTICS EXPRESS)。还有更多基于不同结构的光子晶体全光逻辑门被提出，并应用到不同的通信领域，同时结构也越来越复杂(参考文献8，David A.Meyer，″Creation ofentanglement and implementation of quantum logic gate operations using a three-dimensionalphotonic crystal single-mode cavity″，Vol.24，No.2/February 2007/J.Opt.Soc.Am.B；参考文献9，Young Jin Jung，Sunkyu Yu，Sukmo Koo，“Reconfigurable all-optical logic AND，NAND，OR，NOR，XOR and XNOR gates implemented by photonic crystal nonlinear cavities”，CLEO/PacificRim 2009Shanghai，China August 31-September 3，2009；参考文献10，CTakasumi Tanabe，Akihiko Shinya，Eiichi Kuramochi，and Masaya Notomi，“Nonlinear Switching in High-Q PhotonicCrystal Nanocavities”，2008OSA：COTA/ICQI/IPNRA/SL等)。

上文介绍的光子晶体逻辑门大多是基于光子晶体非线性效应(如文献5和文献8等)，该原理是利用泵浦光照射光子晶体的某些区域，因为科尔效应等非线性效应该区域的折射率会发生变化，而折射率的变化会使得透射峰发生偏移，从而实现逻辑门“开”和“关”。然而泵浦光的光强维持恒定较为困难，根据非线性效应的公式n_r＝n₀+kI，抖动的泵浦光光强会使晶体折射率也随之抖动，从而影响逻辑门的效果。也有一些小组利用光子晶体不同部分的相互干涉实现逻辑门(如文献6和文献7等)，然而这些方法有的对输入光的孔径有较高要求(自准直光束必须大于一定参数)，有的则对光子晶体制作工艺有较高要求(高Q值耦合腔结构参数较为精确)超过了现有的制作工艺。因而上述设计在具体实施方面都有一定困难，无法应用在大规模集成光路中。

光波干涉理论的引入为解决这些问题提供了新的方案。作为应用光波干涉原理的重要光学器件，干涉仪在光通信中有着广泛的应用，而光子晶体干涉仪的研究也成为近年来的热点之一：2010年Wei Li等人依照光波干涉的原理设计了微米量级的能量分束器(文献11Wei Li，Xu-ming Xu，R.Wehrspohn and D.Wiersma，″An ultra-short double-wavelength optical powersplitter for two waveguides operation based on photonic crystal multimode interference，″OpticsCommunications 283(2010)3850-3853)；2011年Meng Deng等人同样利用干涉制作了高灵敏度的传感器(文献12Ming Deng，Chang-Ping Tang，Tao Zhu，Yun-Jiang Rao，“Highly sensitivebend sensor based on Mach-Zehnder interferometer using photonic crystal fiber”，OpticsCommunications 284(2011)2849-2853)。光子晶体干涉仪设计灵活，可以通过调整结构参数确定不同的工作波长，同时制作精度要比高Q值耦合腔要低的多，是制作光逻辑门的较为理想方案。

本发明采用了光波干涉制作全光异或门，器件由波导干涉臂、合波区域和输出端口三部分构成。工作原理为：向两条干涉臂输入同相位的1550nm通信光A和B(可以通过锁相环等方法得到相位相同的输入光)，由于两条干涉臂的结构不同，进入合波区域的两条光波出现了相位差；当相位差是π的偶数倍时，A、B光之间会产生相干相消，表现在输出端口即为

从而实现异或逻辑门功能。

本发明利用光波干涉原理制作光子晶体异或门，通过调整器件不同部分的结构实现1550nm波段宽频带的逻辑异或运算功能。

发明内容

本发明的目的在于通过设计新型逻辑门解决目前光子晶体逻辑门存在的一些问题：一是由于泵浦光光强会产生抖动，利用科尔效应等非线性效应制作的逻辑门性能不够稳定；二是基于光子晶体耦合腔或自准直效应制作的逻辑门对制作精度或输入光源的要求较高，会对逻辑门的实现带来困难。为了解决上述逻辑门存在的问题，本发明基于光波干涉原理制作了光子晶体全光异或门，光子晶体干涉仪设计灵活，可以通过调整结构参数确定不同的工作波长，同时制作精度要比高Q值耦合腔要低的多，是制作光逻辑门较为理想的方案。

本发明基于光波干涉原理制作的全光异或门有三个部分构成：波导干涉臂、合波区域和输出端口。工作原理为：向两条干涉臂输入同相位的1550nm通信光A和B(可以通过锁相环等方法得到相位相同的输入光)，由于两条干涉臂的结构不同，造成同一波长光波对应的波矢不同，进入合波区域的两条光波出现了相位差；当相位差是π的偶数倍时，根据耦合模理论，A、B光之间会产生相干相消，表现在输出端口即为

即AB输入端值同时为0或1时输出端为0，从而实现了异或逻辑门功能。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其中：

该光子晶体逻辑门结构是基于正方晶格二维光子晶体介质柱波导结构实现的，其中二维光子晶体介质柱结构可以通过光辐照技术或离子注入技术制作。将完美二维光子晶体去掉一行介质柱，引入W1波导线缺陷A，该线缺陷A即可作为一个输入通道；然后在线缺陷上方间隔三排介质柱位置引入一条新的线缺陷B，通过调整介质柱的位置和半径可以改变1550nm对应波矢的大小，A、B两波导也因此产生了相位差。根据耦合模公式调整波导的长度使相位差为π的偶数倍，此时形成了当A、B两端口均有输入时，理论上在1550nm波段能够100％消光的全光异或门。然后可以通过调整合波区域扩展异或门适用的波长区域，最终得到100nm带宽的全光异或门。

所述利用干涉原理实现异或运算功能的光子晶体逻辑门结构是由两条光子晶体干涉臂(W1波导)和长为12a的合波区域以及两条光子晶体输出波导(W1波导)组成，其中W1波导的宽度为1.6a，a是三角晶格光子晶体的晶格常数。

所述的二维光子晶体中，介质柱材料为硅，背景介质是空气。

所述的二维光子晶体，晶格常数为a＝589nm，介质柱的半径为0.2a。

所述的介质硅的折射率为3.48，空气背景的折射率为1。

所述的光子晶体干涉臂B的上方共有五排介质柱，将这些介质柱向下移动0.22a，同时将干涉臂B两侧第一排介质柱的半径改为0.23a，也即135nm，其余空气孔半径仍为0.2a。

所述的干涉臂A和B的长度由耦合模理论确定，两条干涉光的相位差应当是π的偶数倍。本发明通过仿真干涉臂A和B的能带图得到禁带内的缺陷导模，找到谐振中心频率在该导模上对应的传播常数，根据公式推导计算得出当干涉臂长度为16.3a时，波矢相位差是2π。考虑到两条干涉臂会产生相互影响，通过仿真本发明将干涉臂长度确定为16a。

所述的合波区域可以影响透射率的频谱特性，将合波区域空气腔两侧各一排介质柱半径改为0.25a，并将这两排介质柱向合波区域中心移动0.22a，可以改善异或门的宽带特性。本发明给出了合波区域改变前和改变后的输出端口透射谱以及波长-消光比图，可以明显发现改变后对应的带宽(消光比大于10dB的区域)更宽，基本覆盖了1550nm周围100nm的区域。

与传统方法相比本发明有如下优点：

本方案中所提及的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构是一种基于二维光子晶体介质柱波导结构，通过调整干涉臂以及合波区域的长度，使输入光之间实现高效干涉来完成设计。

传统方法中实现全光逻辑门一般是基于光子晶体非线性效应，该原理是利用泵浦光照射光子晶体的某些区域，因为科尔效应等非线性效应该区域的折射率会发生变化，而折射率的变化会使得透射峰发生偏移，从而实现逻辑上的“开”和“关”。然而泵浦光的光强维持恒定较为困难，根据非线性效应的公式n_r＝n₀+kI，抖动的泵浦光光强会使晶体折射率也随之抖动，从而影响逻辑门的效果。也有一些小组利用光子晶体不同部分的相互干涉实现逻辑门，然而这些方法有的对输入光的孔径有较高要求(自准直光束必须大于一定参数)，有的则对光子晶体制作工艺有较高要求(高Q值耦合腔结构参数较为精确)超过了现有的制作工艺。因而上述设计在具体实施方面都有一定困难，无法应用在大规模集成光路中。本发明采用了光波干涉原理使用光子晶体禁带内的缺陷模相互干涉设计异或门，逻辑门只需要调整干涉臂和合波区域的一些参数即可实现宽带异或计算功能，对输入光的孔径并无要求，同时制作精度比高Q值耦合腔要低的多，是制作全光逻辑门较为理想的方案。

本发明的原理如下：

本方案中所提及的利用干涉原理实现异或运算功能的光子晶体逻辑门结构是一种基于二维光子晶体介质柱波导结构，通过设计干涉臂B上方介质柱的位置和干涉臂两侧介质柱的半径实现干涉臂之间的相位差；通过设计干涉臂的长度使相位差的大小为π的偶数倍；通过设计合波区域的长度实现宽带异或计算。其基本原理是：当在完美光子晶体介质柱结构上引入两条干涉臂时，通过不同干涉臂输入的同相位光会产生相互干涉。如果干涉臂的结构有所不同，那么它们对应的波矢也不同，当输入光传输一定距离之后会产生π的偶数倍的相位差，根据耦合模理论，此时输出端的光强为0，从而实现异或运算的功能。干涉臂的长度由公式：

确定，其中k(A)k(B)表示谐振波长在两条干涉臂对应的波矢，L表示干涉臂的长度，ψ表示相位差。两条输入光通过干涉臂产生了相位差，进入合波区域之后由于自映像原理会在合波区域充分干涉耦合，经过12a进入输出口和辅助口(用来导出合波后的光)，输出口和辅助口的强度服从下面的公式：

P_out＝sin²(Δkl/2)(2)

P_aux＝cos²(Δkl/2)(3)

由上式结合公式(1)可知，理论上从输出口输出的光的强度应当为0，也即完成了的异或运算。

附图说明

以下各图所取的光子晶体异或逻辑门结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是利用干涉原理实现异或运算功能的光子晶体逻辑门结构模型示意图，其中包含了三个部分：Part A为干涉臂区域，Part B为合波区域，Part C为输出区域。异或门的几个端口：PortA是干涉臂A的输入口，Port B是干涉臂B的输入口，Port C是异或门的输出口，Port D是辅助口用来输出干涉后的光波能量。光子晶体为二维正方晶格空气背景介质柱结构，晶格常数a＝589mn，普通空气孔半径r＝0.2a，介质硅的折射率n_si＝3.48。

图2左侧图表示干涉臂A的结构图，干涉臂A实际为去掉一排介质柱的W1波导，宽度为1.6a；右侧图表示干涉臂B的结构图，干涉臂B时将波导上方的介质柱向下移动sx，同时将波导两侧各一排的介质柱半径改为rx，波导宽度为1.38a。

图3是两条干涉臂对应的W1型波导的能带曲线。其中绿色曲线表示干涉臂A的缺陷模，红色曲线表示干涉臂B的缺陷模。黑色虚线表示纵坐标为归一化频率0.38，也就是1550nm，该频率是异或门的工作中心频率。

图4是合波区域直接去除介质柱形成空气腔时的输出端口透射谱和波长-消光比图，左侧为透射谱，右侧为波长-消光比图，其中消光比10dB以上为工作区域。

图5是合波区域经过改善后的输出端口透射谱和波长-消光比图，左侧为透射谱，右侧为波长-消光比图，其中消光比10dB以上为工作区域。

图6是只有PortA输入的场图，对应逻辑1/0。

图7是只有Port B输入的场图，对应逻辑0/1。

图8是Port A和B均有输入的场图，对应逻辑1/1。

具体实施方式

利用干涉原理实现异或运算功能的光子晶体逻辑门结构如图1所示，其中包含了三个部分：PartA为干涉臂区域，Part B为合波区域，Part C为输出区域。其中PortA是干涉臂A的输入口，Port B是干涉臂B的输入口，Port C是异或门的输出口，Port D是辅助口用来输出干涉后的光波能量。光子晶体为二维正方晶格空气背景介质柱结构，晶格常数a＝589nm，普通空气孔半径r＝0.2a，介质硅的折射率n_si＝3.48。本发明实际为2X2器件，两入口的结构不同造成了输入光的相位差，根据公式(1)和公式(2)当相位差是π的偶数倍时即可实现完全干涉相消。

首先确定Part A的结构。为了使输入光产生相位差，本发明在W1波导的基础上对干涉臂结构进行调整，如图2所示，图2左侧图表示干涉臂A(W1波导)，右侧图表示干涉臂B。干涉臂B波导上方的介质柱向下移动sx，经过仿真sx＝0.22a时效果最好；同时为了加大归一化频率对应的波矢值，本发明增大了波导两侧第一排介质柱的半径，将半径改为0.23a，此时干涉臂A和B之间相对于归一化频率0.38(1550nm)产生了较大的相位差。利用平面波展开法(PWE)，对干涉臂A、B结构进行数值仿真，计算属于不同波矢的频率的本征值，得到归一化波矢-归一化频率的能带曲线，如图3所示，由图中可以看到，在光子晶体的禁带中有两条导模，分别对应干涉臂A(绿色曲线)和干涉臂B(红色曲线)的缺陷模，黑色虚线表示归一化频率0.38，即1550nm。从图中还可以看到干涉臂A和干涉臂B的缺陷模同黑色虚线分别相交于点(0.22157，0.38)和(0.28292，0.38)，也就是指谐振腔的中心频率0.38对应的波矢差是0.06135(2π/a)，a表示晶格常数。根据公式：

(k表示传播常数，也就是波矢；L表示干涉臂的长度)计算可得，当L＝16.3a时，输入光在两干涉臂之间的相位差是2π，此时根据公式：

Pout＝sin²(Δkl/2)

干涉光在输出口实现完全相消，所有能量将会从辅助口排出逻辑门。考虑到波导之间的相互干扰会对W1波导的缺陷导模产生影响，通过仿真本发明将干涉臂长度确定为16a。

接下来确定Part B的结构。尽管理论上确定干涉臂的长度即可实现输出口干涉光的完全相消，实际上耦合干涉的充分与否也会对器件性能产生影响。为了得到适合的合波区域长度，本发明运用FDTD算法对多组数据进行仿真。当合波区域直接去除介质柱形成空气腔时，输出端口的仿真结果如图4所示，图4左侧表示输入的不同逻辑值条件下Port C的透射谱，图中红色曲线表示输入为1/0(即只有PortA输入光)，黑色曲线表示输入为0/1(只有Port B输入光)，绿色曲线表示输入为1/1(PortA和Port B均有输入光)，从图中可以看出，当两个输入端口均有光输入时，输出口的光功率很低。为了测量本发明的工作范围，本发明将消光比10dB以上的区域定义为可工作区域，图4右侧表示合波区域为9a时逻辑1/0、0/1和逻辑1/1的消光比，从图中可以看出消光比在10dB以上的波长范围为65nm。图5则是合波区域经过调整后的仿真结果图，从图中可以看到消光比10dB以上的区域达到100nm，覆盖了整个1550nm波段，效果明显要比未改变要好。本发明通过多组数据仿真最终将合波区域两侧介质柱的半径定为0.25a，且向空气腔方向移动0.22a。

当输入光源是中心频率ω₀＝0.38(2πc/a)的高斯光源时，不同输入值条件下稳态状态电场的空间分布图如图6-8所示。从图6和图7可以看出当输入为1/0或0/1时，在x-y水平平面内，电场在Part A被很好的局域在光子晶体波导区域内，在经过合波区域的自成像效应之后光强基本均匀分布在Port C和Port D输出。而输入为1/1时的场图如图8所示，输入光经过PartA之后产生相位差，在合波区域充分耦合干涉之后PortC的输出变为0，实现了异或运算的功能。全光异或逻辑门的真值表如下：

Port A	Port B	Port C
			0	0	0
1	0	1
			0	1	1
1	1	0

综上所述，本发明基于二维光子晶体并通过引入光波干涉原理制作宽带全光异或逻辑门。本发明消光比在10dB以上的区域约为100nm，且制作较为简单，在光子集成中可以获得良好的应用。

Claims (7)

1.一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其中：该异或门通过设计两个干涉臂的不同构造使同相位输入光之间产生相位差，经合波区域充分耦合之后输入光发生干涉，实现1550mm波段的异或运算。

2.如权利要求1所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征在于干涉臂B的具体设计：在完美光子晶体中去掉一排介质柱形成W1波导，W1波导上方共有五排介质柱，将这些介质柱向下移动0.22a(a是晶格常数)，同时将W1波导两侧第一排介质柱的半径改为0.23a，其余空气孔半径仍为0.2a。

3.如权利要求1或2所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征是干涉臂A和干涉臂B的长度通过耦合模理论确定：通过仿真A、B的能带图确定1550nm光对应的波矢差，结合耦合模公式计算干涉臂的理论长度为16.3a，考虑到两个干涉臂之间的相互影响，本发明将干涉臂确定为16a。

4.如权利要求1所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征在于合波区域的独特设计：在完美光子晶体上去除五排介质柱形成空气腔，将空气腔两侧各一排介质柱半径改为0.25a，并将这两排介质柱向合波区域中心移动0.22a。

5.如权利要求1所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征是：本发明由三个部分组成，分别是干涉臂区域、合波区域以及输出区域，其中干涉臂区域由相隔3排介质柱的两个结构不同的W1波导组成；合波区域是将W1波导之间的三排介质柱去掉形成的空气腔，输入光将在这里充分耦合；输出区域包括两个完全一样的W1波导，分别通向输出口和辅助口。

6.如权利要求1所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征在于介质柱成分为硅，折射率为3.48，背景空气的折射率为1。

7.如权利要求1或5所述的一种基于干涉原理的光子晶体全光异或逻辑门结构，其特征在于，基于光波干涉的逻辑门比目前基于非线性效应和耦合腔的逻辑门制作更为简单，更加适用于光子集成。

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