CN106647101A

CN106647101A - 电光逻辑或非门

Info

Publication number: CN106647101A
Application number: CN201611213387.4A
Authority: CN
Inventors: 陈直; 王雄; 毕凡; 王保胜; 徐丽凡; 巴钟灵
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: ShanghaiTech University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN106647101B

Abstract

本发明提供了一种电光逻辑或非门，其特征在于，在垂直方向上分为两层，一层为基板，另一层包括一对电极、光波通路及其余的包层，其中，光波通路构成至少两个耦合器，分别定义为耦合器一及耦合器三，耦合器一由通过电极施加的电压控制以实现电致折变效应，耦合器三传导抽运光以完成光致截断效应。本发明首次将电致折变效应和光致截断效应结合起来实现无高功率阙值要求、集成化、可直接完成电信号与光信号逻辑运算的光电混合逻辑门。

Description

电光逻辑或非门

技术领域

本发明涉及一种基于电致折变和光致截断的电光逻辑或非门，属于光电子信息、集成光电子学及光电逻辑运算领域。

背景技术

目前，由纳米晶体管构成的微处理器已广泛应用于计算、控制和通信等信息技术领域。而且，基于50纳米加工工艺的超快晶体管也已实现量产，为进一步推进超快计算的商用化打下了坚实基础。然而，由于处理器内部的数据传递以及处理器之间的数据传递受到铜导线传输速率的严重制约，使得信息延迟加剧，阻碍了数字电路的进一步发展，形成了所谓的“电子瓶颈”。此外，虽然中长距离有线通信已实现了信息的光传输，但是通信系统中需要光电转换器件和电光转换器件。这不仅影响了系统的整体运行速度，还造成了传输信号功率易损耗和信号易失真，而且增加了系统硬件成本。由于以上问题的存在，近年来微处理器的提速已经明显地减缓。

为了解决这一问题，光逻辑门器件逐渐被关注和研究。光逻辑门器件可以直接实现光信号的处理，替换电子逻辑门器件的同时，也省去了光电转换和电光转换的中间环节。例如，全光逻辑门可以实现光寻址、开关、奇偶校验、数字编码和加密等，在高速光通信网络方面有着巨大的潜在应用。至今，光逻辑门技术主要是基于光纤、半导体光放大器、微共振器和光子晶体等。然而，这些传统技术都存在各自的缺点。基于光纤的逻辑门无法实现单片集成，基于半导体光放大器和微共振器的逻辑门都严重受限于白发辐射噪声，基于光子晶体的逻辑门需要周期性结构材料，缺少成熟的集成工艺。另外，基于以上所有技术的光逻辑门都存在难与成熟的电子器件或者电子线路有效对接的问题。若要实现电路与光路的有效对接，或者说电信号与光信号真正的有效转换，电信号和光信号的直接运算必不可少。目前，这方面的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电致折变和光致截断的电光逻辑或非门。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种电光逻辑或非门，其特征在于，在垂直方向上分为两层，一层为基板，另一层包括一对电极、光波通路及其余的包层，其中，光波通路构成至少两个耦合器，分别定义为耦合器一及耦合器三，耦合器一由通过电极施加的电压控制以实现电致折变效应，耦合器三传导抽运光以完成光致截断效应。

优选地，所述耦合器一通过耦合器二与耦合器三相连；所述耦合器一和耦合器二采用具有光致截断效应的材料，所述耦合器三采用光波导材料。

优选地，所述耦合器一及所述耦合器二为单波长耦合器，所述耦合器三为多波长耦合器。

优选地，所述耦合器一、所述耦合器二及所述耦合器三的主体部分由两条靠得很近的光波通路构成。

优选地，所述耦合器一的主体部分的一端引出有触发端口，另一端分别引出有干涉臂一及干涉臂二，干涉臂二自所述一对电极中间穿过，干涉臂一及干涉臂二与所述耦合器二相连。

优选地，所述耦合器三的主体部分的一端与所述耦合器二相连，另一端分别引出有输入光端口及输出光端口。

优选地，所述一对电极中的一个与引线引出端口相连。

本发明基于材料的电致折变效应和光致截断效应，利用电压改变材料的折射率，进而改变输出端口的功率分配，还利用抽运光对信号光的截断效应影响输出端口的功率分配。

本发明首次将电致折变效应和光致截断效应结合起来实现无高功率阙值要求、集成化、可直接完成电信号与光信号逻辑运算的光电混合逻辑门，其具有以下有益效果：

1、本发明可实现一路光信号与一路电信号的直接逻辑运算，不同于以往的逻辑门只能实现两路光信号或者两路电信号的逻辑运算。这种光电直接混合逻辑运算器件非常适合与传统电子元器件及电子线路对接与集成。

2、本发明采用集成光电子结构，比基于光纤、半导体光放大器等技术的光逻辑门更紧凑，并且由于避免了光路搭建和光钎连接，可以显著降低插入损耗。

3、不需要非线性材料，因而降低了对输入光功率的要求。

附图说明

图1是器件在电极位置的左视图；

图2是器件的结构示意图(俯视图)；

图3是四种状态下端口的信号强度分布图；

图3a是A＝“0”，B＝“0”；

图3b是A＝“0”，B＝“1”；

图3c是A＝“1”，B＝“0”；

图3d是A＝“1”，B＝“1”。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供的一种电光逻辑或非门在垂直方向为分层结构，基板I采用一整块圆形、长方形、正方形或者其它形状的电光晶体材料，其上是一对电极5、光波通路II和其余包层部分。

电极5采用铝、银或铜(但不仅限于铝、银或铜)等常用金属材料。

光波通路II构成了三个耦合器——耦合器一1、耦合器二2和耦合器三3。耦合器一1和耦合器二2，是单波长耦合器，采用具有光致截断效应的材料。耦合器三3，是多波长耦合器，采用石英材料或者其它常用光波导材料。耦合器一1及耦合器三3是本发明中最主要的两个耦合器，耦合器一1由电压控制以实现电致折变效应，耦合器三3传导抽运光以完成光致截断效应。耦合器一1的干涉臂两侧有一对电极，用以施加电压；耦合器三3为多波长耦合器，不仅可以传输抽运光，还可以传输信号光。耦合器二2的输出功率可由基板I上的电极控制。

耦合器一1、耦合器二2和耦合器三3的主要部分都是由两条靠的很近的光波通路构成，依据光学隧道效应，光波在此部分发生耦合。光波通路可以是脊型波导、掩埋型波导或者光折变波导等。

结合图2，耦合器一1的一端引出有触发端口E，另一端分别引出干涉臂一4和干涉臂二6。耦合器一1通过干涉臂一4和干涉臂二6与耦合器二2相连。耦合器二2与耦合器三3相连。耦合器三3分别引出有输入光端口B及输出光端口C。通过端口A在一对电极5的一个电极上施加电压以改变基板I的折射率，并且通过输入光端口B从耦合器三3引入抽运光，从而影响输出光端口C的信号状态，进而建立起各端口的逻辑状态关系，形成逻辑或非门。

本发明提供的电光逻辑或非门利用电致折变效应和光致截断效应，通过光波导耦合器控制光波的传输，在器件的端口处形成所需的逻辑状态。电致折变效应是一种通过在电光晶体上施加电压致使晶体折射率发生改变的效应，其折射率改变量与所施加的电压大小有关。光致截断效应是一种在传导信号光的非晶态材料波导上照射抽运光，导致信号光被截断的效应。

本发明涉及的光波控制分为两种情况，一种是由改变两条干涉臂(干涉臂一4和干涉臂二6)的相位差来完成，也就是改变耦合器二2的输入信号的相位差来完成；另一种是由输入光端口B进入的抽运光在耦合器二2与耦合器三3的连接处，通过改变非晶态材料的微观状态而直接截断信号光。

本发明的电光逻辑或非门的逻辑状态与各端口的信号强度有关。定义输入端口、输出端口和触发端口的信号强度大于阈值时为逻辑状态“1”，小于阈值时为逻辑状态“0”。阈值既可以是电压强度阈值，也可以是光强度阈值。

以下结合实例来进一步说明本发明。

器件基底I采用铌酸锂晶体材料。耦合器一1、耦合器一2、干涉臂一4以及干涉臂二6采用硫属玻璃化合物材料，耦合器三3采用石英材料，一对电极5采用铝材料。耦合器一1和耦合器二2为3dB耦合器，干涉臂一4和干涉臂二6完全相同。由耦合器一1、耦合器二2、干涉臂一4、电极5和干涉臂二6组成的电光耦合器在无电压情况下，实现完全交叉耦合；在加电压情况下，实现完全平行耦合。耦合器三3是多波长耦合器，对信号光实现平行耦合，对抽运光实现交叉耦合。

耦合器一1的输入端为器件的触发端口E。电极5的一端接地，另一端由引线引出端口A。触发端口E输入633nm波长光，端口A加5V电压，输入光端口B输入442nm波长光。

信号光触发触发端口E后，端口A的电信号与输入光端口B的抽运光完成或非运算，运算结果由输出光端口C输出。逻辑器件的具体工作原理如下：信号光触发触发端口E，器件开始处于工作状态。当端口A没有电压信号(“0”)，并且输入光端口B没有导入抽运光(“0”)时，信号光完成交叉耦合，进而从输出端口C出射(“1”)，如图3(a)所示；当端口A没有电压信号(“0”)，并且输入光端口B导入抽运光(“1”)时，信号在耦合器二2与耦合器三3的连接处被截断，进而无法从输出端口C出射(“0”)，如图3(b)所示；当端口A有电压信号(“1”)，并且输入光端口B没有导入抽运光(“0”)时，信号光完成平行耦合，进而从耦合器二2直接出射，因此输出端口C无信号光出射(“0”)，如图3(c)所示；当端口A有电压信号(“1”)，并且输入光端口B导入抽运光(“1”)时，信号光完成平行耦合，进而从耦合器二2直接出射，因此输出端口C无信号光出射(“0”)，如果3(d)。

以上所述的具体实施例对本发明做了进一步地详细说明。需要强调的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明。但凡在本发明的思想和原则之内，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

1.一种电光逻辑或非门，其特征在于，在垂直方向上分为两层，一层为基板(I)，另一层包括一对电极(5)、光波通路(II)及其余的包层，其中，光波通路(II)构成至少两个耦合器，分别定义为耦合器一(1)及耦合器三(3)，耦合器一(1)由通过电极(5)施加的电压控制以实现电致折变效应，耦合器三(3)传导抽运光以完成光致截断效应。

2.如权利要求1所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述耦合器一(1)通过耦合器二(2)与耦合器三(3)相连；所述耦合器一(1)和耦合器二(2)采用具有光致截断效应的材料，所述耦合器三(3)采用光波导材料。

3.如权利要求2所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述耦合器一(1)及所述耦合器二(2)为单波长耦合器，所述耦合器三(3)为多波长耦合器。

4.如权利要求2所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述耦合器一(1)、所述耦合器二(2)及所述耦合器三(3)的主体部分由两条靠得很近的光波通路构成。

5.如权利要求4所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述耦合器一(1)的主体部分的一端引出有触发端口(E)，另一端分别引出有干涉臂一(4)及干涉臂二(6)，干涉臂二(6)自所述一对电极(5)中间穿过，干涉臂一(4)及干涉臂二(6)与所述耦合器二(2)相连。

6.如权利要求5所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述耦合器三(3)的主体部分的一端与所述耦合器二(2)相连，另一端分别引出有输入光端口(B)及输出光端口(C)。

7.如权利要求6所述的一种电光逻辑或非门，其特征在于，所述一对电极(5)中的一个与端口(A)相连。