CN109188825A - 基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，包括基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导，这些波导分别由三层波导层叠形成，且其底层波导材料为二氧化硅，中层波导材料为石墨烯，上层波导材料为二氧化硅，控制第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔的谐振与失谐，从而在光学半加器的第一输出端和第二输出端准确的得到相应的逻辑值；优点是采用石墨烯表面等离子激元作为传输媒介，能够有效的突破光学衍射对器件尺寸的限制，排列紧凑，尺寸较小，便于操控，利于大规模的片上集成。

Description

基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器

技术领域

本发明涉及一种光学半加器，尤其是涉及一种基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器。

背景技术

伴随着摩尔定律的预言，集成电路经过几十年的迅猛发展，其规模越做越大，尺寸却在不断缩小，电互连的延迟、带宽和功耗等问题日益突出。相比用光作为信息载体的集成光路具有带宽大、速度快、功耗低和抗干扰能力强等优点应运而生。半加器作为集成光路中不可或缺的基础逻辑器件，有着众多的用途，例如：半加器是光通信和光运算的关键器件，可以实现光通信中IP路由器节点的报头更新和校验验证，已被应用于多种光逻辑电路(例如移位寄存器和二进制计数器等)。因此，对光学半加器的研究有着极其重要的意义。

近年来，光学逻辑器件受到越来越多的学者关注。田永辉等人基于微环谐振器设计出的光学半加器由于存在交叉波导结构，且单环出现三个耦合区的情况，光学半加器的传输损耗及交叉串扰都比较高。吴小所等人在此基础上进行了改进，虽然避免了上述问题提高了光学半加器的输出质量，但是他们所设计的光学半加器由于受到光学衍射的限制，尺寸都比较大，难以满足片上集成的需求。

表面等离子激元是金属表面自由电子与光子相互作用时形成的一种特殊形式的电磁波，具有高度局域性，常存在于两种介电常数相反的材料界面处，可以克服光学衍射对器件影响。而石墨烯是一种由碳单原子周期性排列的蜂窝状结构组成的二维材料，石墨烯表面等离子激元相比于贵金属表面等离子激元，拥有更低的损耗和更高的约束能力。

鉴此，结合石墨烯表面等离子激元及光波导技术设计一种基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器，对于减小半加器的尺寸，提高结构紧凑性，利于片上集成的具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸较小、结构紧凑，利于片上集成的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，包括基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导；所述的基底和所述的缓冲层均为长方体结构且两者尺寸完全相同，所述的缓冲层叠在所述的基底上，所述的缓冲层的下表面与所述的基底的上表面贴合并固定，将所述的缓冲层的长边延伸方向作为左右方向，将所述的缓冲层的宽边延伸方向作为前后方向；所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导平铺在所述的缓冲层的上表面，所述的第一直波导、所述的第四直波导和所述的第三直波导按照从后往前的顺序平行间隔设置，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的长边分别平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边分别平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的长边平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的宽边平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边长度均为30nm，所述的第一直波导的长边长度等于所述的缓冲层的长边长度，所述的第一直波导的左端与所述的缓冲层的左端齐平，所述的第一直波导的右端与所述的缓冲层的右端齐平，所述的第二直波导的长边长度为266nm，所述的第三直波导的长边长度为340nm，所述的第四直波导的长边长度为250nm，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔按照从左向右的方向间隔平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔的内圈半径均为70nm，外圈半径均为100nm；所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心连线平行于所述的第一直波导的长边，所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心距离为420nm，所述的第二微环谐振腔与所述的第三微环谐振腔的中心距离为310nm，所述的第一微环谐振腔位于所述的第二直波导的左侧和所述的第一直波导的前侧，当所述的第二直波导向左平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，所述的第二微环谐振腔位于所述的第一直波导和所述的第四直波导之间，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，当所述的第四直波导向后平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，所述的第三微环谐振腔位于所述的第一直波导的前侧，当所述的第一直波导向前平行移动10nm时将与所述的第三微环谐振腔的外壁相切，所述的半圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的半圆环形波导的内圈半径为70nm，外圈半径为100nm；所述的第三直波导的右端和所述的第四直波导的右端位于同一平面上，所述的第三直波导的右端和第四直波导的右端通过所述的半圆环形波导连接，所述的半圆环形波导的一端和所述的第三直波导的右端重合，所述的半圆环形波导的另一端和所述的第四直波导的右端重合，所述的第二直波导的后端伸到所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔之间，所述的第二直波导的后端与所述的第一直波导的前端之间的距离为46nm，所述的四分之一圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的四分之一圆环形波导的内圈半径为70nm，所述的四分之一圆环形波导的外圈半径为100nm，所述的第二直波导的前端和所述的第三直波导的左端通过所述的四分之一圆环形波导连接，所述的四分之一圆环形波导的一端和所述的第二直波导的前端重合，所述的四分之一圆环形波导的另一端和所述的第三直波导的左端重合，所述的第一直波导的左端为所述的光学半加器的输入端，所述的第一直波导的右端为所述的光学半加器的第一输出端，所述的光学半加器的第一输出端用于输出进位信号，所述的第四直波导的左端为所述的光学半加器的第二输出端，所述的光学半加器的第二输出端用于输出和信号；所述的第一直波导的后端与所述的缓冲层的后端之间具有一段距离，所述的第一微环谐振腔的左端与所述的缓冲层的左端之间具有一段距离，所述的第三微环谐振腔的右端与所述的缓冲层的右端之间具有一段距离，所述的第三直波导的前端与所述的缓冲层的前端之间具有一段距离；所述的第一直波导由第一底层直波导、第一中层直波导和第一上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层直波导的厚度为20nm，所述的第一中层直波导的材料为石墨烯，所述的第一中层直波导的厚度为1nm，所述的第一上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层直波导的厚度为20nm；所述的第二直波导由第二底层直波导、第二中层直波导和第二上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层直波导的厚度为20nm，所述的第二中层直波导的材料为石墨烯，所述的第二中层直波导的厚度为1nm，所述的第二上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层直波导的厚度为20nm；所述的第三直波导由第三底层直波导、第三中层直波导和第三上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层直波导的厚度为20nm，所述的第三中层直波导的材料为石墨烯，所述的第三中层直波导的厚度为1nm，所述的第三上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层直波导的厚度为20nm；所述的第四直波导由第四底层直波导、第四中层直波导和第四上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第四底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四底层直波导的厚度为20nm，所述的第四中层直波导的材料为石墨烯，所述的第四中层直波导的厚度为1nm，所述的第四上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四上层直波导的厚度为20nm；所述的第一微环谐振腔由第一底层环形波导、第一中层环形波导和第一上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层环形波导的厚度为20nm，所述的第一中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第一中层环形波导的厚度为1nm，所述的第一上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层环形波导的厚度为20nm；所述的第二微环谐振腔由第二底层环形波导、第二中层环形波导和第二上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层环形波导的厚度为20nm，所述的第二中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第二中层环形波导的厚度为1nm，所述的第二上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层环形波导的厚度为20nm；所述的第三微环谐振腔由第三底层环形波导、第三中层环形波导和第三上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层环形波导的厚度为20nm，所述的第三中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第三中层环形波导的厚度为1nm，所述的第三上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层环形波导的厚度为20nm；所述的半圆环形波导由底层半圆环形波导、中层半圆环形波导和上层半圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层半圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层半圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层半圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层半圆环形波导的厚度为20nm；所述的四分之一圆环形波导由底层四分之一圆环形波导、中层四分之一圆环形波导和上层四分之一圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层四分之一圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层四分之一圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层四分之一圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层四分之一圆环形波导的厚度为20nm。

所述的基底的材料为硅，所述的基底的厚度为20nm，所述的缓冲层的材料为二氧化硅，所述的缓冲层的厚度为20nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆形波导和弧度为90度的弧形波导来构建光学半加器，第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆形波导和弧度为90度的弧形波导分别由三层波导层叠形成，且其底层波导材料为二氧化硅，中层波导材料为石墨烯，上层波导材料为二氧化硅，由此能够对石墨烯表面等离子激元起到很强的束缚作用，有效的使石墨烯表面等离子激元限制在波导中传输，并且第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆形波导和弧度为90度的弧形波导中材料为石墨烯的中层波导夹在材料均为二氧化硅的上层波导和下层波导之间，材料为石墨烯的中层波导的宽度为30nm，能够使得光学半加器在单模下工作，即偶边缘模式，该模式避免了光学半加器工作时多种模式的相互影响，第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔的配合对工作波长具有很强的选择性，即当三个微环谐振器发生谐振时产生逻辑“1”，当三个微环谐振器失谐时产生逻辑“0”，利用第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔的级联，通过在第一微环谐振腔中的第一中层环形波导、第二微环谐振腔中的第二中层环形波导和第三微环谐振腔中的第二中层环形波导加载电压来控制第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔工作在谐振状态或者工作在失谐状态，从而在光学半加器的第一输出端和第二输出端准确的得到相应的逻辑值，实现半加器功能，本发明的光学半加器采用石墨烯表面等离子激元作为传输媒介，在具有正确的逻辑功能的基础上，能够有效的突破光学衍射对器件尺寸的限制，排列紧凑，尺寸较小，便于操控，利于大规模的片上集成。

附图说明

图1为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器的立体图；

图2为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器在第一直波导处沿竖直方向的剖视图；

图3(a)为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器在操作数为‘00’时，和信号SUM和高位进位信号CARRY的传输谱线；

图3(b)为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器在操作数为‘01’时，和信号SUM和高位进位信号CARRY的传输谱线；

图3(c)为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器在操作数为‘10’时，和信号SUM和高位进位信号CARRY的传输谱线；

图3(d)为本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器在操作数为‘11’时，和信号SUM和高位进位信号CARRY的传输谱线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图1和图2所示，一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，包括基底1、缓冲层2、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导；基底1和缓冲层2均为长方体结构且两者尺寸完全相同，缓冲层2叠在基底1上，缓冲层2的下表面与基底1的上表面贴合并固定，将缓冲层2的长边延伸方向作为左右方向，将缓冲层2的宽边延伸方向作为前后方向；第一直波导、第二直波导、第三直波导和第四直波导平铺在缓冲层2的上表面，第一直波导、第四直波导和第三直波导按照从后往前的顺序平行间隔设置，第一直波导、第三直波导和第四直波导的长边分别平行于缓冲层2的长边，第一直波导、第三直波导和第四直波导的宽边分别平行于缓冲层2的宽边，第二直波导的长边平行于缓冲层2的宽边，第二直波导的宽边平行于缓冲层2的长边，第一直波导、第二直波导、第三直波导和第四直波导的宽边长度均为30nm，第一直波导的长边长度等于缓冲层2的长边长度，第一直波导的左端与缓冲层2的左端齐平，第一直波导的右端与缓冲层2的右端齐平，第二直波导的长边长度为266nm，第三直波导的长边长度为340nm，第四直波导的长边长度为250nm，第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔按照从左向右的方向间隔平铺在缓冲层2的上表面上，第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔的内圈半径均为70nm，外圈半径均为100nm；第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的中心连线平行于第一直波导的长边，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的中心距离为420nm，第二微环谐振腔与第三微环谐振腔的中心距离为310nm，第一微环谐振腔位于第二直波导的左侧和第一直波导的前侧，当第二直波导向左平行移动6nm时将与第一微环谐振腔的外壁相切，当第一直波导向前平行移动6nm时将与第一微环谐振腔的外壁相切，第二微环谐振腔位于第一直波导和第四直波导之间，当第一直波导向前平行移动6nm时将与第二微环谐振腔的外壁相切，当第四直波导向后平行移动6nm时将与第二微环谐振腔的外壁相切，第三微环谐振腔位于第一直波导的前侧，当第一直波导向前平行移动10nm时将与第三微环谐振腔的外壁相切，半圆环形波导平铺在缓冲层2的上表面上，半圆环形波导的内圈半径为70nm，外圈半径为100nm；第三直波导的右端和第四直波导的右端位于同一平面上，第三直波导的右端和第四直波导的右端通过半圆环形波导连接，半圆环形波导的一端和第三直波导的右端重合，半圆环形波导的另一端和第四直波导的右端重合，第二直波导的后端伸到第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间，第二直波导的后端与第一直波导的前端之间的距离为46nm，四分之一圆环形波导平铺在缓冲层2的上表面上，四分之一圆环形波导的内圈半径为70nm，四分之一圆环形波导的外圈半径为100nm，第二直波导的前端和第三直波导的左端通过四分之一圆环形波导连接，四分之一圆环形波导的一端和第二直波导的前端重合，四分之一圆环形波导的另一端和第三直波导的左端重合，第一直波导的左端为光学半加器的输入端，第一直波导的右端为光学半加器的第一输出端，光学半加器的第一输出端用于输出进位信号，第四直波导的左端为光学半加器的第二输出端，光学半加器的第二输出端用于输出和信号；第一直波导的后端与缓冲层2的后端之间具有一段距离，第一微环谐振腔的左端与缓冲层2的左端之间具有一段距离，第三微环谐振腔的右端与缓冲层2的右端之间具有一段距离，第三直波导的前端与缓冲层2的前端之间具有一段距离；第一直波导由第一底层直波导3、第一中层直波导4和第一上层直波导5通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第一底层直波导3的材料为二氧化硅，第一底层直波导3的厚度为20nm，第一中层直波导4的材料为石墨烯，第一中层直波导4的厚度为1nm，第一上层直波导5的材料为二氧化硅，第一上层直波导5的厚度为20nm；第二直波导由第二底层直波导6、第二中层直波导7和第二上层直波导8通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第二底层直波导6的材料为二氧化硅，第二底层直波导6的厚度为20nm，第二中层直波导7的材料为石墨烯，第二中层直波导7的厚度为1nm，第二上层直波导8的材料为二氧化硅，第二上层直波导8的厚度为20nm；第三直波导由第三底层直波导9、第三中层直波导10和第三上层直波导11通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第三底层直波导9的材料为二氧化硅，第三底层直波导9的厚度为20nm，第三中层直波导10的材料为石墨烯，第三中层直波导10的厚度为1nm，第三上层直波导11的材料为二氧化硅，第三上层直波导11的厚度为20nm；第四直波导由第四底层直波导12、第四中层直波导13和第四上层直波导14通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第四底层直波导12的材料为二氧化硅，第四底层直波导12的厚度为20nm，第四中层直波导13的材料为石墨烯，第四中层直波导13的厚度为1nm，第四上层直波导14的材料为二氧化硅，第四上层直波导14的厚度为20nm；第一微环谐振腔由第一底层环形波导15、第一中层环形波导16和第一上层环形波导17通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第一底层环形波导15的材料为二氧化硅，第一底层环形波导15的厚度为20nm，第一中层环形波导16的材料为石墨烯，第一中层环形波导16的厚度为1nm，第一上层环形波导17的材料为二氧化硅，第一上层环形波导17的厚度为20nm；第二微环谐振腔由第二底层环形波导18、第二中层环形波导19和第二上层环形波导20通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第二底层环形波导18的材料为二氧化硅，第二底层环形波导18的厚度为20nm，第二中层环形波导19的材料为石墨烯，第二中层环形波导19的厚度为1nm，第二上层环形波导20的材料为二氧化硅，第二上层环形波导20的厚度为20nm；第三微环谐振腔由第三底层环形波导21、第三中层环形波导22和第三上层环形波导23通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，第三底层环形波导21的材料为二氧化硅，第三底层环形波导21的厚度为20nm，第三中层环形波导22的材料为石墨烯，第三中层环形波导22的厚度为1nm，第三上层环形波导23的材料为二氧化硅，第三上层环形波导23的厚度为20nm；半圆环形波导由底层半圆环形波导24、中层半圆环形波导25和上层半圆环形波导26通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，底层半圆环形波导24的材料为二氧化硅，底层半圆环形波导24的厚度为20nm，中层半圆环形波导25的材料为石墨烯，中层半圆环形波导25的厚度为1nm，上层半圆环形波导26的材料为二氧化硅，上层半圆环形波导26的厚度为20nm；四分之一圆环形波导由底层四分之一圆环形波导27、中层四分之一圆环形波导28和上层四分之一圆环形波导29通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，底层四分之一圆环形波导27的材料为二氧化硅，底层四分之一圆环形波导27的厚度为20nm，中层四分之一圆环形波导28的材料为石墨烯，中层四分之一圆环形波导28的厚度为1nm，上层四分之一圆环形波导29的材料为二氧化硅，上层四分之一圆环形波导29的厚度为20nm。

本实施例中，基底1的材料为硅，基底1的厚度为20nm，缓冲层2的材料为二氧化硅，缓冲层2的厚度为20nm。

以下通过软件仿真对本发明的优益性进行验证：

当第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆四分之一圆弧形波导和弧度为90度的四分之一圆弧形波导的中层材料石墨烯的化学势为0.518eV时，本发明的光学半加器的第二输出端输出的和信号SUM和第一输出端输出的高位进位信号CARRY的传输谱线如图3(a)所示，图3(a)中正方形点曲线为和信号SUM的传输谱线，圆点表示高位进位信号CARRY的传输谱线。分析图3(a)可知：在工作频率为30.5THz，本发明的光学半加器的第二输出端逻辑结果为‘0’，输出为-13.333dB，本发明的光学半加器的第一输出端逻辑结果为‘0’，输出为-17.394dB。

当第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、半圆四分之一圆弧形波导和弧度为90度的四分之一圆弧形波导中层的石墨烯化学势为0.518eV，第二微环谐振腔和第三微环谐振腔中底层石墨烯化学势为0.68eV时，本发明的光学半加器的第二输出端输出的和信号SUM和第一输出端输出的高位进位信号CARRY的传输谱线如图3(b)所示，图3(b)中正方形点曲线为和信号SUM的传输谱线，圆点表示高位进位信号CARRY的传输谱线。分析图3(b)可知：在工作频率为30.5THz，本发明的光学半加器的第二输出端逻辑结果为‘1’，输出为-3.979dB，本发明的光学半加器的第一输出端逻辑结果为‘0’，输出为-23.343dB。此时，串扰达到-19.364dB。

当第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆四分之一圆弧形波导和弧度为90度的四分之一圆弧形波导中层石墨烯化学势为0.518eV，第一微环谐振腔中层石墨烯化学势为0.68eV时，本发明的光学半加器的第二输出端输出的和信号SUM和第一输出端输出的高位进位信号CARRY的传输谱线如图3(c)所示，图3(c)中正方形点曲线为和信号SUM的传输谱线，圆点表示高位进位信号CARRY的传输谱线。分析图3(c)可知：在工作频率为30.5THz，本发明的光学半加器的第二输出端逻辑结果为‘1’，输出为-3.049dB，本发明的光学半加器的第一输出端逻辑结果为‘0’，输出为-24.381dB。此时，串扰达到-21.332dB。

当第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、半圆四分之一圆弧形波导和弧度为90度的四分之一圆弧形波导中层石墨烯化学势为0.518eV，第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔中层石墨烯化学势为0.68eV时，本发明的光学半加器的第二输出端输出的和信号SUM和第一输出端输出的高位进位信号CARRY的传输谱线如图3(d)所示，图3(d)中正方形点曲线为和信号SUM的传输谱线，圆点表示高位进位信号CARRY的传输谱线。分析图3(d)可知：在工作频率为30.5THz，本发明的光学半加器的第二输出端逻辑结果为‘0’，输出为-11.610dB，本发明的光学半加器的第一输出端逻辑结果为‘1’，输出为-2.619dB。此时，串扰达到-8.991dB。

分析图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)可以知道，本发明的光学半加器能够准确实现半加器逻辑结果，最优串扰达到-21.332dB。

综上所述，本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器的设计在结构上采用了三个微环谐振器，使得设计更加紧凑、灵活，为进一步设计更加复杂的逻辑器件提供借鉴。同时，本发明的基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、半圆四分之一圆弧形波导和弧度为90度的四分之一圆弧形波导结构的配合，满足了石墨烯表面等离激元的传播条件，基于石墨烯表面等离子激元所设计出的光学半加器使得器件的尺寸大大的缩小，更加有利于片上集成。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，其特征在于包括基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导；所述的基底和所述的缓冲层均为长方体结构且两者尺寸完全相同，所述的缓冲层叠在所述的基底上，所述的缓冲层的下表面与所述的基底的上表面贴合并固定，将所述的缓冲层的长边延伸方向作为左右方向，将所述的缓冲层的宽边延伸方向作为前后方向；

所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导平铺在所述的缓冲层的上表面，所述的第一直波导、所述的第四直波导和所述的第三直波导按照从后往前的顺序平行间隔设置，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的长边分别平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边分别平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的长边平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的宽边平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边长度均为30nm，所述的第一直波导的长边长度等于所述的缓冲层的长边长度，所述的第一直波导的左端与所述的缓冲层的左端齐平，所述的第一直波导的右端与所述的缓冲层的右端齐平，所述的第二直波导的长边长度为266nm，所述的第三直波导的长边长度为340nm，所述的第四直波导的长边长度为250nm，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔按照从左向右的方向间隔平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔的内圈半径均为70nm，外圈半径均为100nm；

所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心连线平行于所述的第一直波导的长边，所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心距离为420nm，所述的第二微环谐振腔与所述的第三微环谐振腔的中心距离为310nm，所述的第一微环谐振腔位于所述的第二直波导的左侧和所述的第一直波导的前侧，当所述的第二直波导向左平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，所述的第二微环谐振腔位于所述的第一直波导和所述的第四直波导之间，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，当所述的第四直波导向后平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，所述的第三微环谐振腔位于所述的第一直波导的前侧，当所述的第一直波导向前平行移动10nm时将与所述的第三微环谐振腔的外壁相切，所述的半圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的半圆环形波导的内圈半径为70nm，外圈半径为100nm；

所述的第三直波导的右端和所述的第四直波导的右端位于同一平面上，所述的第三直波导的右端和第四直波导的右端通过所述的半圆环形波导连接，所述的半圆环形波导的一端和所述的第三直波导的右端重合，所述的半圆环形波导的另一端和所述的第四直波导的右端重合，所述的第二直波导的后端伸到所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔之间，所述的第二直波导的后端与所述的第一直波导的前端之间的距离为46nm，所述的四分之一圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的四分之一圆环形波导的内圈半径为70nm，所述的四分之一圆环形波导的外圈半径为100nm，所述的第二直波导的前端和所述的第三直波导的左端通过所述的四分之一圆环形波导连接，所述的四分之一圆环形波导的一端和所述的第二直波导的前端重合，所述的四分之一圆环形波导的另一端和所述的第三直波导的左端重合，所述的第一直波导的左端为所述的光学半加器的输入端，所述的第一直波导的右端为所述的光学半加器的第一输出端，所述的光学半加器的第一输出端用于输出进位信号，所述的第四直波导的左端为所述的光学半加器的第二输出端，所述的光学半加器的第二输出端用于输出和信号；所述的第一直波导的后端与所述的缓冲层的后端之间具有一段距离，所述的第一微环谐振腔的左端与所述的缓冲层的左端之间具有一段距离，所述的第三微环谐振腔的右端与所述的缓冲层的右端之间具有一段距离，所述的第三直波导的前端与所述的缓冲层的前端之间具有一段距离；

所述的第一直波导由第一底层直波导、第一中层直波导和第一上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层直波导的厚度为20nm，所述的第一中层直波导的材料为石墨烯，所述的第一中层直波导的厚度为1nm，所述的第一上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层直波导的厚度为20nm；所述的第二直波导由第二底层直波导、第二中层直波导和第二上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层直波导的厚度为20nm，所述的第二中层直波导的材料为石墨烯，所述的第二中层直波导的厚度为1nm，所述的第二上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层直波导的厚度为20nm；所述的第三直波导由第三底层直波导、第三中层直波导和第三上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层直波导的厚度为20nm，所述的第三中层直波导的材料为石墨烯，所述的第三中层直波导的厚度为1nm，所述的第三上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层直波导的厚度为20nm；所述的第四直波导由第四底层直波导、第四中层直波导和第四上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第四底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四底层直波导的厚度为20nm，所述的第四中层直波导的材料为石墨烯，所述的第四中层直波导的厚度为1nm，所述的第四上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四上层直波导的厚度为20nm；

所述的第一微环谐振腔由第一底层环形波导、第一中层环形波导和第一上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层环形波导的厚度为20nm，所述的第一中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第一中层环形波导的厚度为1nm，所述的第一上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层环形波导的厚度为20nm；所述的第二微环谐振腔由第二底层环形波导、第二中层环形波导和第二上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层环形波导的厚度为20nm，所述的第二中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第二中层环形波导的厚度为1nm，所述的第二上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层环形波导的厚度为20nm；所述的第三微环谐振腔由第三底层环形波导、第三中层环形波导和第三上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层环形波导的厚度为20nm，所述的第三中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第三中层环形波导的厚度为1nm，所述的第三上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层环形波导的厚度为20nm；所述的半圆环形波导由底层半圆环形波导、中层半圆环形波导和上层半圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层半圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层半圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层半圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层半圆环形波导的厚度为20nm；所述的四分之一圆环形波导由底层四分之一圆环形波导、中层四分之一圆环形波导和上层四分之一圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层四分之一圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层四分之一圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层四分之一圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层四分之一圆环形波导的厚度为20nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的表面等离子激元的半加器，其特征在于所述的基底的材料为硅，所述的基底的厚度为20nm，所述的缓冲层的材料为二氧化硅，所述的缓冲层的厚度为20nm。