CN104483800B - 光子晶体全光自与变换逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体全光自与变换逻辑门，它由一个光子晶体结构单元、一个非逻辑门和一个D触发器单元组成；时钟控制信号CP通过一个二分支波导的输入端连接，其两个输出端分别与非逻辑门的输入端和光子晶体结构单元的时钟信号输入端连接；所述非逻辑门的输出端与D触发器单元的时钟信号输入端连接；所述光子晶体结构单元的信号输出端与D触发器单元的D信号输入端连接；逻辑输入信号X与光子晶体结构单元的逻辑信号输入端连接。本发明不仅具有结构紧凑、运算速度快、抗干扰能力强、而且易与其它光学逻辑元件实现集成。

Description

光子晶体全光自与变换逻辑门
技术领域
本发明涉及二维光子晶体、光学与逻辑门，尤其涉及光子晶体全光自与变换逻辑门。
背景技术
1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和Princeton大学的S.John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体(Photonic Crystal)的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通常由两种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。
随着光子晶体的提出和深入研究，人们可以更灵活、更有效地控制光子在光子晶体材料中的运动。在与传统半导体工艺和集成电路技术相结合下，人们通过设计与制造光子晶体及其器件不断的往全光处理飞速迈进，光子晶体成为了光子集成的突破口。1999年12月，美国权威杂志《科学》将光子晶体评为1999年十大科学进展之一，也成为了当今科学研究领域的一个研究热点。
全光逻辑器件主要包括基于光放大器的逻辑器件、非线性环形镜逻辑器件、萨格纳克干涉式逻辑器件、环形腔逻辑器件、多模干涉逻辑器件、耦合光波导逻辑器件、光致异构逻辑器件、偏振开关光逻辑器件、传输光栅光逻辑器件等。这些光逻辑器件对于发展大规模集成光路来说都有体积大的共同缺点。随着近年来科学技术的提高，人们还发展研究出了量子光逻辑器件、纳米材料光逻辑器件和光子晶体光逻辑器件，这些逻辑器件都符合大规模光子集成光路的尺寸要求，但对于现代的制作工艺来说，量子光逻辑器件与纳米材料光逻辑器件在制作上存在很大的困难，而光子晶体光逻辑器件则在制作工艺上具有竞争优势。
近年来，光子晶体逻辑器件是一个备受瞩目的研究热点，它极有可能在不久将来取代目前正广泛使用的电子逻辑器件。光子晶体逻辑器件可直接进行全光的“与”、“或”、“非”等逻辑功能，是实现全光计算的核心器件，在全光计算的进程中，基于“与”、“或”、“非”、“异或”等光子晶体逻辑功能器件已经被成功设计研究，而实现全光计算的目标仍需要各种各样复杂的逻辑元器件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、抗干扰能力强，且易与其它光学逻辑元件实现集成的光子晶体全光自与变换逻辑门。
本发明的目的通过下列技术方案予以实现。
本发明的光子晶体全光自与变换逻辑门包括一个时钟信号、一个逻辑信号、一个二分支波导、一个光子晶体结构、一个非逻辑门、一个D触发器；所述二分支波导包括一个输入端、两个输出端；所述光子晶体结构为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，包括一个四端口、一个非线性腔、至少一个第一长方形线性介质杆、至少一个第二长方形线性介质杆、一个正方形介质柱；所述交叉波导的左端为第一信号输入端、下端为第二信号输入端、上端为输出端、右端为闲置端；所述交叉波导内设置非线性腔；所述非线性腔由八个第一长方形线性介质杆、四个第二长方形线性介质杆和一个正方形介质柱在纵、横波导方向分别构成准一维光子晶体结构，在所述非线性腔中心设置正方形介质柱，该介质柱为非线性介质柱；所述正方形介质柱的四周邻近处设置所述第二长方形线性介质杆；两两相邻的所述第一长方形线性介质杆相距0.2668d，其中d为光子晶体的晶格常数；所述非逻辑门包括一个输入端、一个输出端；所述D触发器包括两个信号输入端、一个信号输出端；所述D触发器的信号输出端的输出为全光自与变换逻辑门的输出，即系统输出；所述时钟信号与所述二分支波导的输入端连接；所述二分支波导的两个输出端与所述非逻辑门的输入端和所述光子晶体结构的第一信号输入端连接；所述非逻辑门的输出端与所述D触发器的第一信号输入端连接；所述光子晶体结构的输出端与所述D触发器的第二信号输入端连接；所述逻辑信号与所述光子晶体结构的第二信号端连接；通过所述时钟信号控制工作：在tn时刻，令所述时钟信号等于1，所述光子晶体结构的第一信号输入端的输入信号与所述时钟信号同步，所述光子晶体结构的第二信号端的逻辑输入信号为X(n)，所述光子晶体结构输出端的输出为X(n)，在tn+1时刻，令所述时钟信号等于零，所述光子晶体结构的第一信号输入端的输入信号与所述时钟信号同步，所述光子晶体结构的第二信号端的逻辑输入信号为X(n+1)，所述光子晶体结构将此刻逻辑输入信号X(n+1)与上一时刻所述光子晶体结构保存的逻辑输入信号X(n)做自与逻辑运算输出，所述光子晶体结构输出端的输出信号为X(n+1)X(n)，所述D触发器的第二信号输入端接收并存储所述光子晶体结构的输出信号X(n+1)X(n)，所述D触发器信号输出端的输出为X(n+1)X(n)，从而实现全光逻辑输入信号的自与变换逻辑运算功能。
所述准一维光子晶体结构与所述正方形介质柱构成波导缺陷腔。
所述正方形介质柱的横截面为多边形、圆形或者椭圆形。
所述正方形介质柱的横截面为正方形。
所述正方形介质柱在弱光条件下的介电常数与相邻该正方形介质柱，且靠近所述光子晶体结构的输出端的所述第二长方形线性介质杆的介电常数相等。
所述D触发器的第二信号输入端的输入信号与所述光子晶体结构输出端的输出信号相等。
所述第一、二长方形线性介质杆的横截面形状为多边形、圆形或者椭圆形。
所述第一、二长方形线性介质杆的横截面形状为矩形。
所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为大于2的值。
所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为3.4。
所述二维光子晶体为(2k+1)×(2k+1)结构，其中k为大于等于3的正整数。
所述二维光子晶体的线性介质杆的横截面为圆形、椭圆形或者多边形。
所述二维光子晶体的线性介质杆的横截面为三角形。
所述二维光子晶体的背景填充材料为折射率小于1.4的低折射率介质。
所述二维光子晶体的背景填充材料为空气。
本发明与现有技术相比的积极有益效果是：
1.结构紧凑，易于制作；
2.抗干扰能力强，易与其它光学逻辑元件集成；
3.具有高、低逻辑输出对比度高，运算速度快。
附图说明
图1为本发明的光子晶体全光自与变换逻辑门的结构图。
图中：时钟信号CP 逻辑信号X 二分支波导 光子晶体结构01 非逻辑门02 D触发器03 时钟信号输入端11 逻辑信号输入端12 闲置端13 输出端14 圆形线性介质杆15 第一长方形线性介质杆16 第二长方形线性介质杆17 正方形介质柱18 时钟信号输入端31 D信号输入端32 信号输出端33
图2为图1所示光子晶体结构在光子晶体的晶格常数为d＝1μm，工作波长为2.976μm的基本逻辑功能波形图。
图3为本发明的光子晶体全光自与变换逻辑门在光子晶体的晶格常数为d＝1μm，工作波长为2.976μm的逻辑信号自与变换的逻辑功能波形图。
图4为图1所示二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑功能真值表。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述：
如图1所示，本发明的光子晶体全光自与变换逻辑门包括一个时钟信号CP、一个逻辑信号X、一个二分支波导、一个光子晶体结构01、一个非逻辑门02、一个D触发器03；光子晶体结构01为一个二维光子晶体“十”字交叉波导非线性腔，包括一个四端口、一个非线性腔、至少一个第一长方形线性介质杆、至少一个第二长方形线性介质杆、一个正方形介质柱；交叉波导的左端为时钟信号输入端11、下端为逻辑输入信号端12、右端为闲置端13、上端为信号输出端14，通过交叉波导中心沿纵、横波导方向分别放置两相互正交的准一维光子晶体结构，交叉波导内设置非线性腔，非线性腔由八个第一长方形线性介质杆16、四个第二长方形线性介质杆17和一个正方形介质柱18在纵、横波导方向分别构成准一维光子晶体结构，准一维光子晶体结构与正方形介质柱18构成波导缺陷腔，在非线性腔中心设置正方形介质柱18，该介质柱为非线性介质柱，其横截面可以采用各种各样的形状，例如：多边形、圆形、椭圆形，正方形介质柱18的横截面最好采用正方形，正方形介质柱18为克尔型非线性材料，在弱光条件下的介电常数为7.9，正方形介质柱18的四周邻近处设置第二长方形线性介质杆17，距离为零，在弱光条件下，第二长方形线性介质杆17的介电常数与正方形介质柱18的介电常数相等，正方形介质柱18的介电常数与相邻正方形介质柱18，且靠近信号输出端14的第二长方形线性介质杆17的介电常数相等。第一长方形线性介质杆16与第二长方形线性介质杆17为高折射率线性介质杆，第一长方形线性介质杆16与第二长方形线性介质杆17的横截面可以采用各种各样的形状，例如：多边形、圆形、椭圆形，第一长方形线性介质杆16与第二长方形线性介质杆17的横截面最好采用矩形。第一长方形线性介质杆16与第二长方形线性介质杆17的折射率为大于2的值，当然也可以采用折射率等于3.4。二维光子晶体的圆形线性介质杆15的横截面可以采用各种各样的形状，例如：多边形、三角形、椭圆形，圆形线性介质杆15的横截面最好采用圆形，圆形线性介质杆15为高折射率线性介质杆，其采用硅(Si)材料，其折射率为3.4。二维光子晶体的背景填充材料可以采用折射率小于1.4的低折射率介质，当然也可以采用空气。
本发明的二分支波导包括一个输入端、两个输出端；D触发器03包括一个时钟信号输入端31、一个D信号输入端32、一个信号输出端33，非逻辑门02包括一个输入端、一个输出端，非逻辑门02设置在时钟信号CP输入端与D触发器03之间，非逻辑门02用于对时钟信号CP进行非逻辑运算，并投射到D触发器03的时钟信号输入端31；非逻辑门02的输入端与二分支波导的第一输出端连接，非逻辑门02的输出端与D触发器03的时钟信号输入端31连接；D触发器03的时钟信号输入端31与时钟信号CP同步，D触发器03的时钟信号输入端31与二分支波导的输入端连接；光子晶体结构01的时钟信号输入端11的输入信号与时钟信号CP同步；光子晶体结构01的时钟信号输入端11与二分支波导的第二输出端连接；光子晶体结构01的输出端14与D触发器03的D信号输入端32连接；逻辑信号X与光子晶体结构01的逻辑信号输入端12连接，即光子晶体结构01的逻辑信号输入端12的输入信号等于逻辑信号X；光子晶体结构01以时钟信号CP和逻辑信号X作为输入信号，其输出信号由光子晶体结构01的输出端14输出，并投射到D触发器03的D信号输入端32；D触发器03以时钟信号CP和光子晶体结构01的输出端14的输出信号作为输入，最终由D触发器03的信号输出端33输出，该信号输出端33的输出为全光自与变换逻辑门的输出，即系统输出。
基于光子晶体全光自与变换逻辑门的结构图1所示，光子晶体结构01为二维光子晶体交叉波导非线性腔所具有的光子带隙特性、准一维光子晶体缺陷态、隧穿效应及光克尔非线性效应，通过时钟信号CP的控制可实现全光逻辑信号的自与变换逻辑功能。光子晶体交叉波导非线性腔的基本原理：二维光子晶体提供一个具有一定带宽的光子带隙，波长落在该带隙内的光波可在光子晶体内所设计好的光路中传播，因此将光子晶体逻辑器件的工作波长设置为光子带隙中的某一波长；交叉波导中心所设置的准一维光子晶体结构结合正方形介质柱的非线性效应提供了一个缺陷态模式，当输入光波满足一定光强时，使得该缺陷态模式偏移至系统的工作频率，光子晶体结构01产生隧穿效应，输出信号从输出端14输出。
当光子晶体的晶格常数为d＝1μm，工作波长为2.976μm，参照图1中的光子晶体结构01所示的二维光子晶体交叉波导非线性腔，时钟信号输入端11与逻辑信号输入端12为信号输入端，时钟信号输入端11输入信号A，逻辑信号输入端12输入信号B。如图2所示本发明的二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑输出波形图，当时钟信号输入端11与逻辑信号输入端12分别输入如图2所示的波形信号可得出该图下方的逻辑输出波形。根据图2所示的逻辑运算特性可得出图4所示光子晶体结构01的逻辑运算真值表。图4中C为现态Qn，Y为光子晶体结构01的信号输出端14的输出信号，即次态Qn+1。根据该真值表可得出光子晶体结构01的逻辑表达式：
Y＝AB+BC (1)
即
Qn+1＝AB+BQn (2)
根据二维光子晶体交叉波导非线性腔自身的基本逻辑运算特性，以上一级的逻辑输出作为逻辑输入以实现既定的逻辑功能。
本发明光子晶体逻辑器件(时钟信号CP、逻辑信号X、二分支波导、光子晶体结构01、非逻辑门02、D触发器03)中的光子晶体结构01可以采用(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。下面结合附图给出的实施例，在实施例中以11×11阵列结构，光子晶体的晶格常数d＝1μm为例给出设计和模拟结果。
在式(2)中令光子晶体结构01的时钟信号输入端11的输入信号A＝1
Qn+1＝B (3)
在式(2)中令光子晶体结构01的时钟信号输入端11的输入信号A＝0
Qn+1＝BQn (4)
可见，在tn时刻将逻辑信号X输入到光子晶体结构01的逻辑信号输入端12，即B＝X；同时，令时钟信号输入端11的输入信号A＝1，则tn时刻的逻辑输入信号X(tn)将被存储在光子晶体结构01中；然后，在tn+1时刻，令时钟信号输入端11的输入信号A＝0，逻辑信号输入端12的逻辑输入信号为X(tn+1)，D触发器的信号输出端33的输出为全光自与变换逻辑门的输出，即系统输出为
Qn+1＝X(tn+1)X(tn) (5)
为此，需要在光子晶体全光自与变换逻辑门(系统)中引入一个时钟信号CP，当时钟信号CP＝1时，系统存储该时刻的逻辑输入信号X(n)；当时钟信号CP＝0时，系统将此时的逻辑输入信号X(n+1)与上一时刻系统存储的逻辑信号X(n)做与运算。
通过时钟信号CP控制使其工作如下：
在tn时刻，令时钟信号CP＝1，光子晶体结构01的时钟信号输入端11的逻辑输入信号与时钟信号CP同步，即A＝CP＝1。此时，逻辑信号输入端12的逻辑输入信号为X(n)，由式子(2)可得出此时输出端14的输出为
Qn+1＝X(n) (6)
在tn+1时刻，令时钟信号CP＝0，光子晶体结构01的时钟信号输入端11的逻辑输入信号与时钟信号CP同步，即A＝CP＝0。此时，逻辑信号输入端12的逻辑输入信号为X(n+1)，由式子(2)可得出此时输出端14的输出为
Qn+1＝X(n+1)X(n) (7)
光子晶体结构01的输出端14的输出等于D触发器03的D信号输入端32的输入，由式子(6)与式子(7)可得出时钟信号CP＝1时，D信号输入端32的输入信号D＝X(n)；时钟信号CP＝0时，D信号输入端32的输入信号D＝X(n+1)X(n)。
由于D触发器03的时钟信号输入端31与非逻辑门02的输出端连接，因此D触发器03在时钟信号CP＝0时，信号输出端33的输出信号跟随D信号输入端32的输入信号；时钟信号CP＝1时，信号输出端33的输出信号保持上一时刻D信号输入端32的输入信号。由此可得出D触发器03的信号输出端33的输出信号在时钟信号CP＝0时，Qn+1＝X(n+1)X(n)；在下一时刻，时钟信号CP＝1时，信号输出端33的输出信号保存上一时刻的输出信号，即在一个时钟周期内的系统输出信号33为
Qn+1＝X(n+1)X(n) (8)
可见，本发明光子晶体逻辑器件可实现逻辑输入信号的自与变换逻辑功能。
当光子晶体逻辑器件的工作波长为2.976μm，光子晶体结构01的晶格常数d为1μm；圆形线性介质杆15的半径为0.18μm；第一长方形线性介质杆16的长边为0.613μm，其短边为0.162μm；第二长方形线性介质杆17的尺寸与第一长方形线性介质杆16的尺寸一致；正方形介质柱18的边长为1.5μm，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；两两相邻的第一长方形线性介质杆16相距0.2668μm。在上述尺寸参数下，当逻辑输入信号X(n)如图3所示波形输入，在时钟信号CP控制下，可得出该图下方的系统输出波形图。可见，系统将逻辑输入信号X(n+1)与上一时刻储存的逻辑输入信号X(n)作与逻辑运算，即实现了对逻辑输入信号的自与变换逻辑功能。
结合图3，本发明光子晶体逻辑器件通过缩放，可在不同晶格常数及相应工作波长下实现同样的逻辑功能。
综上所述，在光子晶体逻辑器件的组合下，通过时钟信号CP控制，即可实现全光逻辑信号的自与变换逻辑门功能。
在集成光路的逻辑信号处理中，可定义一种单一逻辑信号的自卷积运算，而上述逻辑信号的自与逻辑运算即为逻辑信号自卷积运算的基本运算。本发明实现的逻辑信号自与变换逻辑功能对逻辑变量的自相关变换或自卷积运算的实现起着重要应用。
以上本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (10)

1.一种光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：包括一个时钟信号、一个逻辑信号、一个二分支波导、一个光子晶体结构、一个非逻辑门、一个D触发器；所述二分支波导包括一个输入端、两个输出端；所述光子晶体结构为一个二维光子晶体“十”字交叉波导非线性腔，包括一个四端口、一个非线性腔；所述交叉波导的左端为第一信号输入端、下端为第二信号输入端、上端为输出端、右端为闲置端；所述交叉波导内设置非线性腔；所述非线性腔由八个第一长方形线性介质杆、四个第二长方形线性介质杆和一个正方形介质柱在纵、横波导方向分别构成准一维光子晶体结构，在所述非线性腔中心设置正方形介质柱，该介质柱为非线性介质柱；所述正方形介质柱的四周邻近处设置所述第二长方形线性介质杆；两两相邻的所述第一长方形线性介质杆相距0.2668d，其中d为正方晶格光子晶体的晶格常数；所述非逻辑门包括一个输入端、一个输出端；所述D触发器包括两个信号输入端、一个信号输出端；所述D触发器的信号输出端的输出为全光自与变换逻辑门的输出，即系统输出；所述时钟信号与所述二分支波导的输入端连接；所述二分支波导的两个输出端与所述非逻辑门的输入端和所述光子晶体结构的第一信号输入端连接；所述非逻辑门的输出端与所述D触发器的第一信号输入端连接；所述光子晶体结构的输出端与所述D 触发器的第二信号输入端连接；所述逻辑信号与所述光子晶体结构的第二信号输入端连接；通过所述时钟信号控制工作：在tn时刻，令所述时钟信号等于1，所述光子晶体结构的第一信号输入端的输入信号与所述时钟信号同步，所述光子晶体结构的第二信号输入端的逻辑输入信号为X(n)，所述光子晶体结构输出端的输出为 X(n)，在tn+1时刻，令所述时钟信号等于零，所述光子晶体结构的第一信号输入端的输入信号与所述时钟信号同步，所述光子晶体结构的第二信号输入端的逻辑输入信号为 X(n+1)，所述光子晶体结构将此刻逻辑输入信号X(n+1)与上一时刻所述光子晶体结构保存的逻辑输入信号X(n) 做自与逻辑运算输出，所述光子晶体结构输出端的输出信号为X(n+1) X(n)，所述D触发器的第二信号输入端接收并存储所述光子晶体结构的输出信号X(n+1) X(n)，所述D触发器信号输出端的输出为X(n+1) X(n)，从而实现全光逻辑输入信号的自与变换逻辑运算功能。
2.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：所述正方形介质柱与相邻该正方形介质柱，且靠近所述光子晶体结构信号输出端的所述第二长方形线性介质杆在弱光条件下的介电常数相等。
3.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：所述D触发器的第二信号输入端的输入信号与所述光子晶体结构输出端的输出信号相等。
4.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为大于2的值。
5.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为3.4。
6.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：二维光子晶体为(2k+1)×(2k+1) 线性介质杆阵列结构，其中k为大于等于3 的正整数。
7.按照权利要求6所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：二维光子晶体的线性介质杆的横截面形状为多边形、圆形或者椭圆形。
8.按照权利要求6所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：二维光子晶体的线性介质杆的横截面形状为三角形。
9.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：二维光子晶体的背景填充材料为折射率小于1.4的低折射率介质。
10.按照权利要求1所述的光子晶体全光自与变换逻辑门，其特征在于：二维光子晶体的背景填充材料为空气。
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