CN109254470A - 基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件 - Google Patents
基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，包括金属衬底；所述金属衬底的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属‑介质‑金属波导，所述波导包括:对称设置的信号光输入波导，对称设置的泵浦光波导，以及输出波导；所述信号光输入波导一端为信号光输入端口，另一端与所述输出波导的一端连通，所述输出波导的另一端为输出端口；所述泵浦光波导设置在信号光输入波导的旁侧，其一端为泵浦光输入端口，另一端为位于所述金属衬底内部的截止端；所述信号光输入波导填充有非线性材料介质，且所述非线性材料介质的横截面高度不低于所述信号光输入波导横截面的深度。本发明可实现全光控制及多比特输入。
Description
技术领域
本发明涉及全光通信或全光计算技术领域,具体涉及一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其属于全光控制、多比特输入的微纳光学逻辑门器件。
背景技术
基于光学非线性材料的全光逻辑门器件是实现高速信息传输和处理的基础。全光逻辑门直接在光域上实现各种逻辑操作，无需经过光-电-光的转换过程。在未来的全光网络中，光交换、光计算和光传输是实现全光信号处理的核心单元，而它们都需要用到全光数字逻辑操作也就是要以全光控制逻辑门为基础工作。光交换可以分为光线路交换、光突发交换和光分组交换，光控制逻辑门是实现光交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，光交换技术的最终发展趋势是光控光交换。此外，全光逻辑门还可以实现全光信号提取、全光地址识别和全光复用解复用等，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力。
目前，由于光逻辑器件的功能仍较简单，不能完成部分复杂的逻辑处理功能，分组交换单元仍然由电信号控制，速度受到很大的限制。传统的逻辑门器件往往只有单比特或者二比特的输入，且通常有结构复杂、体积较大、速度慢、效率低、功能单一等缺陷。
多比特输入光逻辑器件是未来逻辑门发展的趋势。随着新一代光学逻辑器件的发展，多比特输入成为一种发展大势，在应用于光交换、光计算和光传输中具有非常显著的优越性。在未来的超高速光纤系统、全光信息处理及光子计算机系统中，多比特输入全光数字逻辑器件将成为必不可少的基本单元。多比特输入全光逻辑门控制可以克服传统电学逻辑门中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险的问题，达到提高光信息处理与光计算中信息处理速度的目的，并保持器件的小体积、多功能、低功耗及低成本。
基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polarions，简称SPPs)的全光逻辑器件是近年来研究的热点。SPPs具有非常特别的性质。在亚波长范围内的SPPs会限制电磁波；因此，基于表面等离子体激元的全光逻辑器件的器件可以克服衍射极限带来应用上的缺点。 SPPs是电磁波与金属自由电子之间的相互作用，在金属介电界面上传播。到目前为止，各种新型等离子体器件，如纳米复合体、多路复用器、分路器、耦合器、谐振器、短波导、布拉格反射器、混合等离子波导、开关和逻辑门等都已被研究，是应用广泛的一种新型器件，具有很大的发展前景。
金属-介质-金属(MIM)在表面等离激元材料领域中由于其具有多个金属-介质界面，可以产生多个表面等离极化激元模式，对于研究光的吸收和局域的特性是非常理想的研究对象。表面等离子体激元(SPPs)，在金属-介质-金属(MIM)波导结构中形成耦合的SPPs，对能量具有较强的束缚性，这有助于实现集成度更高的光子电路。近年来，基于MIM波导结构的光学器件得到了广泛的研究与应用，例如滤波器、布拉格反射器、谐振器、表面等离子体共振((SPR)传感器等。
根据以上介绍，基于非线性材料的微纳多比特输入的全光控制逻辑门器件可以解决现有逻辑门器件存在的结构复杂、体积较大、速度慢、效率低、功能单一等问题。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其能够实现全光控制及多比特输入，并具有结构简单、体积小、速度快、效率高等特点。
本发明公开的一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，包括金属衬底；所述金属衬底的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属-介质-金属波导，所述波导包括:对称设置的信号光输入波导，对称设置的泵浦光波导，以及输出波导；所述信号光输入波导一端为信号光输入端口，另一端与所述输出波导的一端连通，所述输出波导的另一端为输出端口；所述泵浦光波导设置在信号光输入波导的旁侧，其一端为泵浦光输入端口，另一端为位于所述金属衬底内部的截止端；所述信号光输入波导填充有非线性材料介质，且所述非线性材料介质的横截面高度不低于所述信号光输入波导横截面的深度。
本发明中信号光输入端口用于输入信号光，泵浦光输入端口用于输入泵浦光，输入泵浦光后会影响非线性材料介质的折射率，并影响电磁场的分布，导致输出端口的输出发生变化，从而完成逻辑函数功能。
作为优选方案，所述信号光输入波导、泵浦光波导均具有两条，所述输出波导具有一条；每条信号光输入波导填充有一段非线性材料介质；两条信号光输入波导的一端均与所述输出波导的一端连通；两条所述泵浦光波导对称设置在两条所述信号光输入波导的外侧。
作为优选方案，所述信号光输入波导包括信号光输入段以及连接段，两信号输入波导的信号光输入段相平行，各信号光输入段通过连接段与所述输出波导连通，且在各信号光输入段上靠近连接段的一侧具有用于填充所述非线性材料介质的介质填充分段；所述泵浦光波导包括依次连接的起始段、过渡段以及截止段，在同一泵浦光波导中，起始段、截止段与所述信号光输入波导的信号光输入段相平行，且截止段与信号光输入段的距离小于起始段与信号光输入段的距离。
作为优选方案，所述信号光输入波导的介质填充分段位于：所述信号光输入波导上与所述泵浦光波导的截止端持平位置至所述连接段之间。
作为优选方案，两个信号光输入端口的结构参数相同，宽度为20nm至100nm；两个泵浦光输入端口的结构参数相同，宽度为20nm至100nm；所述非线性材料介质的长度为100nm至 400nm；所述泵浦光波导的截止段长度为50nm至300nm，所述截止段与同侧的信号光输入段的距离为5nm至30nm。
作为优选方案，所述非线性材料介质为三阶非线性克尔介质。
作为优选方案，所述金属衬底采用满足低德鲁德损耗的金属银衬底。
本发明的逻辑门器件至少具备以下优点：
(1)不需要采用外接电源或电流，在使用时仅由光输入和光输出来完成整个逻辑函数功能，属于全光控制逻辑门器件，和以往的传统逻辑器件相比，不会产生多余的焦耳热，而且反应速度快，操作方便，运行效率非常高，可广泛应用于全光计算、全光通信领域。
(2)规格上仅为微纳尺度器件，结构简单、体积小，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。
(3)可采用多比特输入，进行多位并行输入的，速度快，运行效率高，逻辑函数反应灵敏，输出实际逻辑值的对比度高，逻辑功能多样、实用性强。
(4)采用了金属-绝缘体-金属波导(MIM)波导结构，对能量具有较强的束缚性，有助于实现集成度更高的光子电路。
(5)优选方案中采用的三阶非线性克尔介质对特定波长的光波相当敏感，输入泵浦光的细微改变便可以引起透射率的明显变化，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。
附图说明
图1是实施例公开的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件的立体结构原理示意图。
图1中：10-金属衬底，20-信号光输入波导，21-信号光输入端口，30-泵浦光波导，31- 泵浦光输入端口，32-截止端，40-输出波导，41-输出端口。
图2是实施例公开的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件的平面结构原理示意图。
图2中：22-信号光输入段，23-连接段，33-起始段，34-过渡段，35-截止段，40-输出波导，50-非线性材料介质。
图3是实施例中，在＝＝1时，分别取“00”、“10”、“01”、“11”时的横向磁场分布示意图。
图4是实施例中，在＝＝1时，分别取“00”、“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱示意图。
图5是与图4对应的逻辑函数表。
图6是实施例中，在＝＝0时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱示意图。
图7是与图6对应的逻辑函数表。
图8是实施例中，在＝＝1时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱示意图。
图9是与图8对应的逻辑函数表。
图10是实施例中，在＝0，＝1时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱示意图。
图11是与图10对应的逻辑函数表。
图12是实施例中，在＝1，＝0时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱示意图。
图13是与图12对应的逻辑函数表。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。
实施例
如图1所示，实施例公开的一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，包括金属衬底10；金属衬底10的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属-介质-金属(MIM)波导，该波导包括:对称设置的信号光输入波导20，对称设置的泵浦光波导30，以及输出波导40；信号光输入波导20一端为信号光输入端口21，另一端与输出波导40的一端连通，输出波导40 的另一端为输出端口41；泵浦光波导30设置在信号光输入波导20的旁侧，其一端为泵浦光输入端口31，另一端为位于金属衬底10内部的截止端32；信号光输入波导20填充有非线性材料介质50(如图2所示，信号光输入波导20内部除了非线性材料介质50之外的其他部分可以由空气填充)，且非线性材料介质50的横截面高度不低于信号光输入波导20横截面的深度。
本实施例中，信号光输入端口21用于输入信号光，泵浦光输入端口31用于输入泵浦光，输入泵浦光后会影响非线性材料介质50的折射率，并影响电磁场的分布，导致输出端口41 的输出发生变化，在特定波长的透射谱上形成透射波峰以及透射波谷，完成逻辑函数功能。因此，本实施例不需要采用外接电源或电流，在使用时仅由光输入和光输出来完成整个逻辑函数功能，属于全光控制逻辑门器件。和以往的传统逻辑器件相比，不会产生多余的焦耳热，而且反应速度快，操作方便，运行效率非常高，可广泛应用于全光计算、全光通信领域。
另外，本实施例采用的金属-绝缘体-金属波导(MIM)波导结构，对能量具有较强的束缚性，有助于实现集成度更高的光子电路。
作为本实施例的优选方案，信号光输入波导20、泵浦光波导30均具有两条，输出波导 40具有一条；每条信号光输入波导20填充有一段非线性材料介质50；两条信号光输入波导 20的一端均与输出波导40的一端连通；两条泵浦光波导30对称设置在两条信号光输入波导 20的外侧。在其他实施例中，信号光输入波导20、泵浦光波导30以及输出波导40的数量可以相应扩展。
该优选方案中，该全光控制逻辑门器件为四输入(四通道)逻辑门器件，共有四个比特输入。假设信号光输入端口21和泵浦光输入端口31中有信号输入记为“1”，无信号输入记为“0”，则输入的范围从“0000”至“1111”。
因此，本实施例可采用多比特输入，进行多位并行输入的，速度快，运行效率高，逻辑函数反应灵敏，输出实际逻辑值的对比度高，逻辑功能多样、实用性强。
如图2所示，作为优选方案，信号光输入波导20包括信号光输入段22以及连接段23，两信号输入波导20的信号光输入段22相平行，各信号光输入段22通过连接段23与输出波导40连通，且在各信号光输入段22上靠近连接段23的一侧具有用于填充非线性材料介质50的介质填充分段；泵浦光波导30包括依次连接的起始段33、过渡段34以及截止段35，在同一泵浦光波导30中，起始段33、截止段35与信号光输入波导20的信号光输入段22相平行，且截止段35与信号光输入段22的距离小于起始段33与信号光输入段22的距离。
进一步优选的，信号光输入波导20的介质填充分段位于：信号光输入波导20上与泵浦光波导30的截止端32持平位置至连接段23之间(即图2中非线性材料介质50所处位置)。
在其他实施例中，信号光输入波导20和泵浦光波导30不限于上述划分各段的方案，但效果可能不如本实施例的优选方案，本实施例的优选方案为发明人经过不懈测试而得出的效果较佳的方案。
如图2所示，本实施例中优选两个信号光输入端口21的结构参数相同(包括尺寸、形状等完全相同)，参考宽度w1为20nm至100nm；两个泵浦光输入端口31的结构参数相同(包括尺寸、形状等完全相同)，参考宽度w2同样为20nm至100nm；非线性材料介质50的参考长度L1为100nm至400nm；泵浦光波导30的截止段35的参考长度L2为50nm至300nm，截止段35与同侧的信号光输入段22的距离L3为5nm至30nm。这些尺寸参数为发明人经过各种测试得出的较佳方案。
由于本实施例在规格上仅为微纳尺度器件，结构简单、体积小，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。
本实施例更为优选方案中，非线性材料介质50为三阶非线性克尔介质，该介质对特定波长的光波相当敏感，具有较大的三阶非线性磁化率和超快响应特性，输入泵浦光的细微改变便可以引起透射率的明显变化，响应非常快，并且可以获得很高的调制深度，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。
此外，基于泵浦光的激励对三阶非线性克尔介质的调制作用，泵浦光的输入状态(即对应逻辑状态的“0”或“1”)可以控制波导在特定波长的输出中的传输信号功率，因此通过对泵浦光强度的适当控制，可以使波长区间在期望的频率下传输高功率或非常低的信号功率，使设备在特定频率上可以作为逻辑门运行。
金属衬底10优选采用满足低德鲁德损耗的金属银衬底。当然，金属银材料为优选，在其他实施例中金属衬底10也可以采用其他金属材料。
应用原理
实施例的全光控制逻辑门器件能够实现同或门(XNOR)、异或门(XOR)、与门(AND)等逻辑函数功能。以下通过优选方案介绍本实施例的能够实现的逻辑函数功能，采用的优选方案为：
全光控制逻辑门器件包括金属衬底10，金属衬底10的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属-介质-金属(MIM)波导，包括两条信号光输入波导20，两条泵浦光波导30，一条输出波导40；两条信号光输入波导20的信号光输入端口21宽度w1以及两条泵浦光波导30的泵浦光输入端口31宽度w2全部相等(宽度可在20nm至100nm之间取值)；非线性材料介质50为三阶非线性克尔介质，金属衬底10采用满足低德鲁德损耗的金属银衬底。
参考图1和图2，设定：两个信号光输入端口21输入的信号分别为和,两个泵浦光输入端口31输入的信号分别为和，输出端口41透射出的信号为，且在信号光输入端口21和泵浦光输入端口31中有信号输入记为“1”，无信号输入记为“0”，则该全光控制逻辑门器件为四输入(四通道)逻辑门器件，共有四个比特输入，范围从“0000”至“1111 ”。
以下介绍上述优选方案能够实现的逻辑函数功能。将信号光的输入波长设置为900nm，泵浦光的输入波长设置为820nm。将输出的透射率高于0.550I0作为输入二进制的高电平状态“1”，透射率低于0.020I0作为输入二进制的低电平状态“0”。
1、同或门(XNOR)
如图3所示，假设和的输入均为“1”(＝＝1,即I0I1＝11)时：分别取“00 ”、“10”、“01”、“11”时的磁场分布分别与图3中(a)、(b)、(c)、(d)对应。例如取“00”时，从图3中可以看出此时输出高电平，即＝1。
图4示出了在＝＝1时：分别取“00”、“10”、“01”、“11”时输出的透射光谱。例如在图4中当透射波长(即输出光信号的波长)为900nm，取“00”时，透射率高达0.948I0，根据以上定义可知此时输出为＝1。
由于输入泵浦光后会影响三阶非线性克尔介质的透射率，从而影响电磁场的分布，导致输出发生变化。例如，在图4中当透射波长为900nm，分别取“10”、“01”、“11”时，透射率分别为0.002I0、0.002I0、0.797I0，输出I4分别为“0”、“0”、“1”。
图5是与图4对应的逻辑函数表，由图5可以得到、I3和的逻辑关系为对应于XNOR逻辑操作，此时可实现逻辑操作同或门。
2、与门(AND)①
图6示出了在＝＝0时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱(取“00”无输出，图6未绘出)。例如，在图6中当透射波长为945nm，取“10”、“01”时，透射率均为0.010I0，参考以上定义可知此时输出为＝0。
图7是与图6对应的逻辑函数表，由图7可以得到、I1和的逻辑关系为I4＝I0·I1，对应于AND逻辑操作，此时可实现逻辑操作与门。
3、与门(AND)②
图8示出了在＝＝1时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱(取“00”无输出，图8未绘出)。例如，在图8中当透射波长为780nm，取“10”、“01”时，透射率均为0.007I0，参考以上定义可知此时输出为＝0。
图9是与图8对应的逻辑函数表，由图9可以得到、I1和的逻辑关系为I4＝I0·I1，对应于AND逻辑操作，此时可实现逻辑操作与门。
4、异或门(XOR)①
图10示出了在I2I3＝01时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱(取“00”无输出，图10未绘出)。例如，在图10中当透射波长为900nm，取“11”时，透射率为0.008I0，参考以上定义可知此时输出为＝0。
图11是与图10对应的逻辑函数表，由图11可以得到、I1和的逻辑关系为对应于XOR逻辑操作，此时可实现逻辑操作异或门。
5、异或门(XOR)②
图12示出了在＝10时，分别取“10”、“01”、“11”时I4输出的透射光谱(取“00”无输出，图12未绘出)。例如，在图12中当透射波长为900nm，取“11”时，透射率为0.008I0，参考以上定义可知此时输出为＝0。
图13是与图12对应的逻辑函数表，由图13可以得到、I1和的逻辑关系为对应于XOR逻辑操作，此时可实现逻辑操作异或门。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于，包括金属衬底；所述金属衬底的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属-介质-金属波导，所述波导包括:对称设置的信号光输入波导，对称设置的泵浦光波导，以及输出波导；所述信号光输入波导一端为信号光输入端口，另一端与所述输出波导的一端连通，所述输出波导的另一端为输出端口；所述泵浦光波导设置在信号光输入波导的旁侧，其一端为泵浦光输入端口，另一端为位于所述金属衬底内部的截止端；所述信号光输入波导填充有非线性材料介质，且所述非线性材料介质的横截面高度不低于所述信号光输入波导横截面的深度。
2.根据权利要求1所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：所述信号光输入波导、泵浦光波导均具有两条，所述输出波导具有一条；每条信号光输入波导填充有一段非线性材料介质；两条信号光输入波导的一端均与所述输出波导的一端连通；两条所述泵浦光波导对称设置在两条所述信号光输入波导的外侧。
3.根据权利要求2所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：所述信号光输入波导包括信号光输入段以及连接段，两信号输入波导的信号光输入段相平行，各信号光输入段通过连接段与所述输出波导连通，且在各信号光输入段上靠近连接段的一侧具有用于填充所述非线性材料介质的介质填充分段；所述泵浦光波导包括依次连接的起始段、过渡段以及截止段，在同一泵浦光波导中，起始段、截止段与所述信号光输入波导的信号光输入段相平行，且截止段与信号光输入段的距离小于起始段与信号光输入段的距离。
4.根据权利要求3所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：所述信号光输入波导的介质填充分段位于：所述信号光输入波导上与所述泵浦光波导的截止端持平位置至所述连接段之间。
5.根据权利要求4所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：两个信号光输入端口的结构参数相同，宽度为20nm至100nm；两个泵浦光输入端口的结构参数相同，宽度为20nm至100nm；所述非线性材料介质的长度为100nm至400nm；所述泵浦光波导的截止段长度为50nm至300nm，所述截止段与同侧的信号光输入段的距离为5nm至30nm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：所述非线性材料介质为三阶非线性克尔介质。
7.根据权利要求6所述的基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其特征在于：所述金属衬底采用满足低德鲁德损耗的金属银衬底。
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