CN102540626A - 一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门及其逻辑运算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门，包括一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；其中所述光波导微环谐振腔(2)处于光波导(1)的输入端与输出端的中间位置。本发明还公开了利用该全光逻辑门实现光逻辑运算的方法。本发明设计和提供了一种能够执行光逻辑运算并且结构简单、开关门限值低，功耗低、速度快、适用范围更广、能在半导体材料基片上采用集成制造工艺实现的光逻辑运算器件，相比现有的光学逻辑器件更加方便实用，可广泛应用于全光计算、全光通信以及集成光路系统中。

Description

一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门及其逻辑运算方法

技术领域

本发明主要涉及一种应用于全光计算、全光通信、集成光路等领域的对光波信号实现全光逻辑运算的光逻辑门运算器件，特别是涉及基于微环谐振腔非线性效应的全光逻辑门运算器件及其逻辑运算方法。

背景技术

在高速光通信网络中，光信号处理是必不可少的功能单元，而高速全光逻辑门是实现光信号处理的最基本功能组件，是关键的核心器件，因此在当今对带宽要求越来越高的情况下，如何实现更高速的全光逻辑门成为了光通信研究的热点。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。

MOEMS光逻辑是微机电系统技术与传统技术相结合的新型机械式光逻辑，具有较好的可集成性，并且它与光信号的格式、波长、协议、调制方式和偏振等均无关，此外它在损耗和可扩展性方面都要优于其他类型的光逻辑，与未来的光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。但是其缺点仍然是运算时间没有得到改善、开关门限值比较高，和未来的告诉光通信技术不相匹配，也就限制了它在未来高速通信网中的应用。近年来发展起来的波导型全光逻辑门虽然在速度方面有所提高，但一般仍然是微秒数量级，最快的也不过只是达到纳秒量级。对于当今想要实现的高速通信还是显得无能为力。

近年来发展起来的微环谐振腔，具有很高的品质因数、极小的模式体积和较高的消光比，并且具有较强的非线性效应。这些特点使得利用微环谐振腔来实现光逻辑门成为可能。另一方面，材料硅不仅在微电子领域中处于绝对的统治地位，而且硅以其自身的优势，在集成光学领域同样占有举足轻重的地位，拥有广阔的发展前景。尽管硅的非线性光学性能较弱，但是SOI这种高折射率差的材料可以对光波有很强的限制作用，并且它与成熟的CMOS工艺相兼容，成本较低，因此可以作为理想的光波导材料。由于微腔的周期仅为几个皮秒量级，所以其逻辑门响应速度相应地也为皮秒量级，很好地满足了未来高速全光通信的要求。通过微环谐振器内光场的增强，使得其开关门限值较低，对输入功率的要求降低了几个数量级。同时，它可以充分利用材料的非线性并且对目前光通信所采用的波长透明。另外，其尺寸微小可以方便地实现光学集成。鉴于其众多优越的性能，从而成为目前光通信领域研究的一个热点。

发明内容

本发明的目的是在克服上述现有技术的光逻辑器件的缺点和不足的基础上，设计和提供一种能够执行光逻辑运算并且结构简单、开关门限值低，功耗低、速度快、适用范围更广、能在半导体材料基片上采用集成制造工艺实现的光逻辑运算器件，即利用微环共振非线性效应实现逻辑门功能的全光逻辑门及其逻辑运算方法。

为实现上述目的，本发明的工作原理是主要是利用了波导中的非线性光学效应来实现全光控制。基于微环谐振器结构的全光逻辑门是利用微环谐振腔的谐振波长对波导折射率的敏感性，通过改变谐振波长调整其对信号光的耦合效率，从而达到全光逻辑的功能。

本发明的基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门，包括：一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；其中所述光波导微环谐振腔(2)处于光波导(1)的输入端与输出端的中间位置。

优选地，所述光波导微环谐振腔(2)与所述光波导(1)之间存在0至1微米的距离，使所述光波导微环谐振腔(2)与光波导(1)谐振波长处的光相耦合。

优选地，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)以及缓冲层(4)依次覆盖在衬底(3)上。进一步优选地，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)和衬底(3)均为硅材料，所述缓冲层(4)为二氧化硅材料。

优选地，所述光波导(1)是几何形状为为端面长、宽各约1um、高为220nm的长方体，且为单模波导；所述衬底(3)和缓冲层(4)的几何形状为长方体。

优选地，所述光波导微环谐振腔(2)是刻蚀在缓冲层的上表面的平面环形微腔。

优选地，所述光波导(1)用于同时输入三束脉冲光，其中一束光为信号脉冲光，另外两束光均为控制脉冲光，并且所述微环谐振腔(2)用于基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，使波导输出端通过检测得到相应的逻辑运算功能。

利用本发明的上述全光逻辑门，本发明还提供了一种通过基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门实现逻辑运算方法，其中所述全光逻辑门包括一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；所述方法包括：将一束控制光脉冲分直接输入所述全光逻辑门，将另一束控制光脉冲与一束信号光脉冲融合到一起后经过起偏器以另一个方向输入所述全光逻辑门；通过所述微环谐振腔(2)基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，从而进行光逻辑运算；将输出光中的信号光脉冲从控制光脉冲分离出来并输入探测器和示波器进行运算结果的输出。

优选地，在进行与门光逻辑运算时，将所述信号光脉冲调谐到所述微环谐振腔(2)的谐振波长上；当进行与非门光逻辑运算时，将所述信号光脉冲调谐到所述微环谐振腔(2)的偏移后的谐振波长上。并且所述两束控制光脉冲分别利用高光强与低光强对应逻辑运算的真值“0”和“1”，通过两束控制光脉冲高、低光强的组合控制所述信号光脉冲与所述微环谐振腔(2)形成不同的谐振状态。

本发明基于微环谐振腔的光逻辑器件是通过互补金属氧化物半导体(CMOS)加工工艺技术制成。本发明由于采取以上技术方案，具有不同于其他光逻辑器件的优点：1、由于采用集成环形微腔和光波导结构，微环谐振腔的尺寸很小，和以往的光逻辑器件相比，结构精巧简单，可在同一个芯片上利用同一种微制作工艺技术实现单片集成和智能化集成，并且可以大大地提高集成度；2、由于微环谐振腔对特定波长的光波相当敏感，微环材料折射率很小的改变即可改变谐振波长，因此基于微环谐振腔的全光逻辑门的响应非常快，并且可以获得很高的调制深度，其逻辑门响应速度可以达到皮秒量级，很好地满足了未来高速全光通信的要求；3、由于采用微环谐振腔和光波导传输光路，可以克服以往光学逻辑器件的应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等非常严格的环境中；4、由于微环谐振腔对光可以产生谐振增强的效果，以及硅材料对光场的强限制性，与以往的光逻辑器件相比，大大地降低了器件的工作功率。本发明提供了一种方便实用的光脉冲控制全光逻辑门及其逻辑运算方法，可广泛应用于全光计算、全光通信以及集成光路系统中。

附图说明

图1是本发明基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门的结构示意图；

图2是本发明利用基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门实现逻辑运算的工作光路图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式并配合附图详予说明。

本发明基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门的关键结构示意图如图1所示。基于光波导微环谐振腔的全光逻辑器件包括有一个可传输信号光脉冲和控制光脉冲的光波导1、一个纳米级光波导微环谐振腔2、衬底层3、缓冲层4、与光波导相连的入射光纤5和出射光纤6，其中所述光波导微环谐振腔2处于光波导1的输入端与输出端的中间位置。由光源发出的激光作为信号光脉冲或控制光脉冲，通过入射光纤5进入光波导1，当输入光的波长正好是微环谐振腔谐振波长时，由于倏逝波效应，光从光波导1耦合进入微环谐振腔2，在微环谐振腔中发生共振后再通过与光波导输出端相接的出射光纤6输出。

上述微环谐振腔2与光波导1谐振波长处的光相耦合，微环谐振腔2与光波导1之间存在有0～1微米的距离。上述微环谐振腔2放置在光波导1的输入端与输出端的中间位置，且上述光波导1为单模波导。上述基于微环谐振腔的光逻辑器件纵向由上到下由三层结构构成，包括有衬底3、缓冲层4以及光波导1和微环谐振腔2组成的光波导层，缓冲层4和光波导层依次覆盖在衬底3上。微环谐振腔2是刻蚀在缓冲层4的上表面的平面环形微腔，光波导1是端面长、宽各约1um、高为220nm的细长方体，均采用对光有良好折射率的材料，一般采用硅材料。第二层结构是缓冲层4，一般为二氧化硅材料，形状为长方体。第三层结构为衬底3，所述衬底的几何形状为长方体，一般采用硅材料。上述结构材料的制备方法很多，应用较多的主要有键合法、注氧隔离法、智能剥离法、外延生长法等。

在进行光逻辑运算时，所述光波导1用于同时输入三束脉冲光，其中一束光为信号脉冲光，另外两束光均为控制脉冲光，并且所述微环谐振腔2用于基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，使波导输出端通过检测得到相应的逻辑运算功能。本发明实现逻辑运算的具体的实现过程在下面详细介绍。

图2是本发明利用基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门实现逻辑运算的工作光路图。如图2所示，本发明采用可调谐激光器光源7。控制光脉冲与信号光脉冲分别采用环形谐振腔2相邻谐振峰处的波长。由激光器7发出的一路激光作为控制光，通过掺铒光纤放大器9a之后，利用分光器10将控制光分为A、B两束。为了避免两束控制光的码间干扰，所以将两束控制光A、B分别从构成全光逻辑门的硅结构芯片的光波导1的两个方向输入。一束控制光A通过幅度调制器8、衰减器11和偏振控制器12a后从硅芯片的一端输入构成全光逻辑门的硅芯片；另一束控制光B通过另一个幅度调制器8、掺铒光纤放大器9b和偏振控制器12b后与另一个激光器7发射的一束信号光脉冲C融合到一起，经过起偏器13后从硅结构芯片的另一端输入构成全光逻辑门的硅芯片Sichip；在硅芯片内三束光A、B、C进行光逻辑运算，运算后利用一个循环器14和滤波器15将输出光Y中的信号光脉冲从控制光脉冲中分离出来，最后输入探测器16和示波器17将波形输出，作为光逻辑运算的结果。硅结构芯片构成的全光逻辑门中的逻辑运算如下：

一、与门光逻辑运算

与门是逻辑门中最基本的单元组件，可以应用到时分多址或者码分多址的地址识别，也可以应用于分组头的调整。与门的实现过程如下：

A光和B光分别表示两束控制光，C光表示信号光。将信号光调谐到微环谐振腔2的谐振波长上。当两束控制光同时为高光强时，即真值对应为“1”时，对应于与门逻辑结构可以在光波导输出端通过探测器对信号光的响应为“1”。但是，只要有其中任意一束输入控制光功率降低，对应的真值是“0”，那么此时的控制光总光强低于阈值条件则不能改变微环谐振腔的谐振波长，信号光在谐振腔中谐振，从而光波导输出端通过探测器对信号光的响应为“0”。其具体内容如下：

(1)将信号光C光调谐到微环谐振腔的谐振波长上，并将C光连续输出。将A光和B光的光功率都降低，即对应的真值均为“0”，此时控制光总光强低于阈值条件，不能改变微环谐振腔的谐振波长，C光在谐振腔中发生谐振，从而波导输出端探测器对信号光的响应为“0”。

(2)将信号光C光调谐到微环谐振腔的谐振波长上，并将C光连续输出。将A光、B光中任意一束控制为高光强，即真值对应为“1”，另外一束控制光功率降低，即对应的真值为“0”，此时的控制光总光强仍低于阈值条件，不能改变微环谐振腔的谐振波长，C光在谐振腔中发生谐振，从而波导输出端探测器对信号光的响应为“0”。

(3)将信号光C光调谐到微环谐振腔的谐振波长上，并将C光连续输出。将A光和B光两束控制光同时为高光强，即真值对应为“1”，此时的强控制光使波导的折射率降低，从而改变了谐振腔的谐振波长，所以C光没有在谐振腔中发生谐振而是直接从光波导的输出端输出。从而波导输出端的探测器对信号光的响应为“1”。

二、与非门光逻辑运算：

A光和B光分别表示两束控制光，C光表示信号光。将信号光的波长调谐到微环谐振腔蓝移后的谐振波长上。当两束控制光同时为高光强时，即真值对应为“1”时，总光强超过阈值，产生的自由载流子足以使微环谐振腔的谐振波长偏移，此时微环谐振腔对于信号光C有很强的吸收，从而光波导输出端探测器对信号光的响应为“0”；当有其中一束或两束控制光较弱不足以使微环谐振腔谐振波长蓝移，此时微环谐振腔对信号光的吸收较弱，末端探测器对信号光的响应为“1”，从而实现了与非门的逻辑功能。其具体内容如下：

(1)C光波长调谐到微环谐振偏移后的谐振波长上，并连续输出。A光与B光的光功率均降低，即真值对应为“0”。由于没有控制光，所以微环谐振腔谐振波长不发生蓝移，此时信号光不能与微环谐振腔发生谐振，从而光波导输出端有信号光输出，此时末端探测器对信号光的响应为“1”。

(2)C光波长调谐到微环谐振偏移后的谐振波长上，并连续输出。A光与B光中任意一束光为高光强，即真值对应为“1”，另外一束光功率降低，即对应的真值为“0”。由于其控制光较弱不足以使微环谐振腔谐振波长发生蓝移，信号光与微环谐振腔不能发生谐振，从而光波导输出端有信号光输出，此时末端探测器对信号光的响应为“1”。

(3)C光波长调谐到微环谐振偏移后的谐振波长上，并连续输出。A光与B光均为高光强，即真值对应为“1”时，总光强超过阈值，微环谐振腔的谐振波长蓝移，此时微环谐振腔对于信号光有很强的吸收，从而光波导输出端没有信号光输出，此时末端探测器对信号光的响应为“0”。

综上所述，本发明提供了一种通过基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门和利用该全光逻辑门来实现的逻辑运算方法。由于采取以上技术方案，具有不同于其他光逻辑器件的优点：1、由于采用集成环形微腔和光波导结构，微环谐振腔的尺寸很小，和以往的光逻辑器件相比，结构精巧简单，可在同一个芯片上利用同一种微制作工艺技术实现单片集成和智能化集成，并且可以大大地提高集成度；2、由于微环谐振腔对特定波长的光波相当敏感，微环材料折射率很小的改变即可改变谐振波长，因此基于微环谐振腔的全光逻辑门的响应非常快，并且可以获得很高的调制深度，其逻辑门响应速度可以达到皮秒量级，很好地满足了未来高速全光通信的要求；3、由于采用微环谐振腔和光波导传输光路，可以克服以往光学逻辑器件的应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等非常严格的环境中；4、由于微环谐振腔对光可以产生谐振增强的效果，以及硅材料对光场的强限制性，与以往的光逻辑器件相比，大大地降低了器件的工作功率。本发明提供了一种方便实用的光脉冲控制全光逻辑门及其逻辑运算方法，可广泛应用于全光计算、全光通信以及集成光路系统中。

Claims (10)

1.一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门，其特征在于，包括：一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；其中所述光波导微环谐振腔(2)处于光波导(1)的输入端与输出端的中间位置。

2.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导微环谐振腔(2)与所述光波导(1)之间存在0至1微米的距离，使所述光波导微环谐振腔(2)与光波导(1)谐振波长处的光相耦合。

3.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)以及缓冲层(4)依次覆盖在衬底(3)上。

4.根据权利要求3所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)和衬底(3)均为硅材料，所述缓冲层(4)为二氧化硅材料。

5.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导(1)是几何形状为端面长、宽各约1um、高为220nm的长方体，且为单模波导；所述衬底(3)和缓冲层(4)的几何形状为长方体。

6.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导微环谐振腔(2)是刻蚀在缓冲层的上表面的平面环形微腔。

7.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述光波导(1)用于同时输入三束脉冲光，其中一束光为信号脉冲光，另外两束光均为控制脉冲光，并且所述微环谐振腔(2)用于基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，使波导输出端通过检测得到相应的逻辑运算功能。

8.一种通过基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门实现逻辑运算方法，其特征在于，其中所述全光逻辑门包括一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；所述方法包括：将一束控制光脉冲分直接输入所述全光逻辑门，将另一束控制光脉冲与一束信号光脉冲融合到一起后经过起偏器以另一个方向输入所述全光逻辑门；通过所述微环谐振腔(2)基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，从而进行光逻辑运算；将输出光中的信号光脉冲从控制光脉冲分离出来并输入探测器和示波器进行运算结果的输出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在进行与门光逻辑运算时，将所述信号光脉冲调谐到所述微环谐振腔(2)的谐振波长上；当进行与非门光逻辑运算时，将所述信号光脉冲调谐到所述微环谐振腔(2)的偏移后的谐振波长上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述两束控制光脉冲分别利用高光强与低光强对应逻辑运算的真值“0”和“1”，通过两束控制光脉冲高、低光强的组合控制所述信号光脉冲与所述微环谐振腔(2)形成不同的谐振状态。

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