CN111352285A - 基于谐振环-mim波导相干调控的全光逻辑门器件 - Google Patents

基于谐振环-mim波导相干调控的全光逻辑门器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐振环‑MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，包括：镀有Ag膜的二氧化硅基底，设置于该基底上的由空气狭缝形成的谐振环‑MIM波导组合结构，以及设置在MIM波导上的至少两个端口。本发明通过在单侧或双侧端口引入对称性入射条件以及设置合理的输出端，通过调节入射光的相位差便可对谐振环‑MIM波导实现全光相干调控从而设计出不同的逻辑门功能，包括“与”门、“或”门、“非”门和“异或”门，并且可以完成同结构下的不同逻辑门之间的简单切换。本发明在光信号处理技术、超紧凑光子集成器件以及传感技术等领域具有潜在的应用前景。

Description

基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件
技术领域
本发明属于光信号处理技术、超紧凑光子集成器件以及传感技术领域，特别涉及一种基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件。
背景技术
在现代信息技术迅猛发展的今天，人们对高速数据传输及处理的要求越来越高。作为光信号处理技术的最基本的核心单元—光逻辑门，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，是实现高速光分组交换、全光地址识别、数据编码、奇偶校验、信号再生、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件。因此，光逻辑门成为当下的一个研究热点。
与此同时，对于光器件微型化和高度集成化的要求也越来越高，而光的衍射一直是缩小光学集成器件尺寸的障碍，当传统光电子器件的尺寸小于光波长时，就很难再将光束缚在器件里面，对光子进行有效操控也更加困难。然而，自从人们了解到表面等离激元的特性之后，得出一种可以解决传统的光电子器件尺寸限制的有效方案。由于表面等离激元是发生在金属—介质的界面处的电子密度波，且可以把光场束缚在几十纳米的空间里，突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，对比传统的几百纳米级的光电器件，表面等离激元很好地克服了光的衍射极限对光学集成器件的影响，实现纳米尺度的光信息传输和处理，在以后的高度集成光子器件研究中必定占有重要的地位。为了满足我们对全光逻辑门器件的高度集成化的要求，尽可能地缩小光学集成器件的尺寸是我们努力的方向，得益于表面等离激元可以克服光的衍射极限的独特光学特性，近年来基于表面等离激元的全光逻辑门的研究也逐渐成为热点。大致分为以下几类：基于表面等离极化激元(SPPs)的光逻辑门、基于局域表面等离激元(LSPs)的光逻辑门、可动态调控的全光逻辑门。但这些多种多样的全光逻辑门，大多需要依赖于结构上的增添或减少，才能完成不同光逻辑门之间的切换，实现方式复杂，不利于集成，普适性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，可以实现多种逻辑门类型且完成同结构下的功能转换。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，包括：
镀有Ag膜的二氧化硅基底，设置于该基底上的谐振环-MIM波导组合结构，以及设置在MIM波导上的至少两个端口；设置所述端口为信号输入端或输出端，并调节入射光的相位差，实现对谐振环-MIM波导的全光相干调控从而实现不同逻辑门的切换。
进一步地，所述谐振环-MIM波导组合结构由刻蚀在所述二氧化硅基底上的空气狭缝形成。
进一步地，所述谐振环和MIM波导的空气狭缝宽度相同。
进一步地，所述谐振环-MIM波导组合结构包括矩形谐振环，以及平行设置于该矩形谐振环两侧的两个MIM波导。
进一步地，所述矩形谐振环设置于二氧化硅基底的中心。
进一步地，所述两个MIM波导关于矩形谐振环对称设置。
进一步地，每个所述MIM波导的两端均作为端口，共包括4个端口，记为port1、port2、port3、port4。
进一步地，所述port1和port4位于同一MIM波导，port2和port3位于同一MIM波导，且port1和port2位于同侧：
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port1或port2的反向信号作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为0，实现“与”门逻辑运算；所述正向表示端口向波导输入信号，反向表示波导向端口输出信号；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port3、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为90度，实现“或”门逻辑运算；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1的正向信号作为参考光输入，port2的正向信号作为输入信号A，port4的反向信号作为输出信号Y，实现“非”门逻辑运算；
两束入射光以双侧对角线对称入射，设定port1、port3的正向信号分别作为输入信号A、B，port2、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为180度，实现“异或”逻辑运算。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过对全光逻辑门的对称性结构设计，实现了“与”门、“或”门、“非”门和“异或”门逻辑功能，并且仅通过端口选择和相位差改变就可以完成同结构下的不同逻辑功能之间的转换，普适性好；2)结构简单，易于集成，且同时实现了“与”门、“或”门、“非”门三大基本逻辑门，其他的复杂逻辑门都可以通过这三大基本逻辑单元之间的级联实现。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件结构示意图。
图2为一个实施例中基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件实现“与”门运算逻辑的实施效果图，其中图(a)为“与”门等效模型和真值表示意图，图(b)为“与”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性图，图(c1)为共振波长987nm处磁场振幅绝对值分布，图(c2)为共振波长987nm处每种逻辑输入对应的磁场z分量分布。
图3为一个实施例中基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件实现“或”门运算逻辑的实施效果图，其中图(a)为“或”门等效模型和真值表示意图，图(b)为“或”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性图，图(c1)为共振波长1062nm处磁场振幅绝对值分布，图(c2)为共振波长1062nm处每种逻辑输入对应的磁场z分量分布。
图4为一个实施例中基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件实现“非”门运算逻辑的实施效果图，其中图(a)为对应“非”门的简单模型图，图(b)为“非”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性图，(c)为“非”门等效模型和真值表示意图，图(d1)为共振波长1015nm处磁场振幅绝对值分布，图(d2)为共振波长1015nm处每种逻辑输入对应的磁场z分量分布。
图5为一个实施例中基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件实现“异或”门运算逻辑的实施效果图,其中图(a)为“异或”门等效模型和真值表示意图，图(b)为“异或”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性图，图(c1)为共振波长1062nm处磁场振幅绝对值分布，图(c2)为共振波长1062nm处每种逻辑输入对应的磁场z分量分布。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，包括：镀有Ag膜的二氧化硅基底，设置于该基底上的谐振环-MIM波导组合结构，以及设置在MIM(金属-介质-金属波导)波导上的至少两个端口；设置端口为信号输入端或输出端，并调节入射光的相位差，实现对谐振环-MIM波导的全光相干调控从而实现不同逻辑门的切换。
进一步地，在其中一个实施例中，上述谐振环-MIM波导组合结构由刻蚀在二氧化硅基底上的空气狭缝形成。
进一步地，在其中一个实施例中，上述谐振环和MIM波导的空气狭缝宽度相同。
进一步地，在其中一个实施例中，上述谐振环-MIM波导组合结构包括矩形谐振环，以及平行设置于该矩形谐振环两侧的两个MIM波导。
进一步地，在其中一个实施例中，上述矩形谐振环设置于二氧化硅基底的中心。
进一步地，在其中一个实施例中，上述两个MIM波导关于矩形谐振环对称设置。
进一步地，在其中一个实施例中，上述每个MIM波导的两端均作为端口，共包括4个端口，记为port1、port2、port3、port4。
进一步地，在其中一个实施例中，上述port1和port4位于同一MIM波导，port2和port3位于同一MIM波导，且port1和port2位于同侧：
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port1或port2的反向信号作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为0，实现“与”门逻辑运算；所述正向表示端口向波导输入信号，反向表示波导向端口输出信号；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port3、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为90度，实现“或”门逻辑运算；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1的正向信号作为参考光输入，port2的正向信号作为输入信号A，port4的反向信号作为输出信号Y，实现“非”门逻辑运算；
两束入射光以双侧对角线对称入射，设定port1、port3的正向信号分别作为输入信号A、B，port2、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为180度，实现“异或”逻辑运算。
作为一种具体示例，对本发明进行进一步说明，结合图1，基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件包括：镀有Ag膜的二氧化硅基底，由刻蚀在该基底上的空气狭缝形成的矩形谐振环-MIM波导组合结构，矩形谐振环设置于二氧化硅基底的中心，两个MIM波导关于矩形谐振环对称平行设置，每个MIM波导的两端均作为端口，共包括4个端口，记为port1、port2、port3、port4。该全光逻辑门器件的参数包括：矩形谐振环外侧长l＝415nm，外侧宽t＝410nm，矩形谐振环和MIM波导的空气狭缝宽d＝50nm，矩形谐振环和两个平行MIM波导的间距为w＝20nm。
设置端口为信号输入端或输出端，并调节入射光的相位差，实现对谐振环-MIM波导的全光相干调控从而实现不同逻辑门的切换，包括：
(1)两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port1或port2的反向信号作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为0，实现“与”门逻辑运算；“正向”表示端口向波导输入信号，反向表示波导向端口输出信号。
以上述设定进行仿真获得基于谐振环-MIM波导相干调控的“与”逻辑门。图2(a)为对应“与”门等效模型和真值表；图2(b)为“与”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性；图2(c1)和图2(c2)分别是在987nm波长处的“与”门运算功能波导传输图。从图2可以看出，设定逻辑门阈值为0.23，在987nm处四种输入状态(00)、(01)、(10)、(11)对应的输出状态分别为“0”、“0”、“0”、“1”，从而实现了“与”门逻辑运算。
(2)两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port3、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为90度，实现“或”门逻辑运算。
以上述设定进行仿真获得基于谐振环-MIM波导相干调控的“或”逻辑门。图3(a)为对应“或”门等效模型和真值表；图3(b)为“或”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性；图3(c1)和图3(c2)分别是在1062nm波长处的“或”门运算功能波导传输图。从图3可以看出，设定逻辑门阈值为0，在整个频谱范围内四种输入状态(00)、(01)、(10)、(11)对应的输出状态分别为“0”、“1”、“1”、“1”，从而实现了“或”门逻辑运算。
(3)两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1的正向信号作为参考光输入，port2的正向信号作为输入信号A，port4的反向信号作为输出信号Y，实现“非”门逻辑运算。
以上述设定进行仿真获得基于谐振环-MIM波导相干调控的“非”逻辑门。图4(a)为对应“非”门的简单模型；图4(b)为“非”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性；图4(c)为对应“非”门的等效模型和真值表；图4(d1)和图4(d2)分别是在1015nm波长处的“非”门运算功能波导传输图。从图4可以看出，设定逻辑门阈值为0.28，在1015nm处两种输入状态(0)、(1)对应的输出状态分别为“1”、“0”，从而实现了“非”门逻辑运算。
(4)两束入射光以双侧对角线对称入射，设定port1、port3的正向信号分别作为输入信号A、B，port2、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为180度，实现“异或”逻辑运算。
以上述设定进行仿真获得基于谐振环-MIM波导相干调控的“异或”逻辑门。图5(a)为对应“异或”门等效模型和真值表；图5(b)为“异或”门对应的输入-输出逻辑信号频谱特性；图5(c1)和图5(c2)分别是在1062nm波长处的“异或”门运算功能波导传输图。从图5可以看出，设定逻辑门阈值为0，在987nm和1062nm处四种输入状态(00)、(01)、(10)、(11)对应的输出状态分别为“0”、“1”、“1”、“0”，从而实现了“异或”门逻辑运算。
综上，本发明提出的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，通过在单侧或双侧端口引入对称性入射条件以及设置合理的输出端，通过调节入射光的相位差便可对谐振环-MIM波导实现全光相干调控从而设计出不同的逻辑门功能，包括“与”门、“或”门、“非”门和“异或”门，并且可以完成同结构下的不同逻辑门之间的简单切换。本发明在光信号处理技术、超紧凑光子集成器件以及传感技术等领域具有潜在的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，包括：镀有Ag膜的二氧化硅基底，设置于该基底上的谐振环-MIM波导组合结构，以及设置在MIM波导上的至少两个端口；设置所述端口为信号输入端或输出端，并调节入射光的相位差，实现对谐振环-MIM波导的全光相干调控从而实现不同逻辑门的切换。
2.根据权利要求1所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述谐振环-MIM波导组合结构由刻蚀在所述二氧化硅基底上的空气狭缝形成。
3.根据权利要求2所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述谐振环和MIM波导的空气狭缝宽度相同。
4.根据权利要求1或2所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述谐振环-MIM波导组合结构包括矩形谐振环，以及平行设置于该矩形谐振环两侧的两个MIM波导。
5.根据权利要求4所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述矩形谐振环设置于二氧化硅基底的中心。
6.根据权利要求4所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述两个MIM波导关于矩形谐振环对称设置。
7.根据权利要求4所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，每个所述MIM波导的两端均作为端口，共包括4个端口，记为port1、port2、port3、port4。
8.根据权利要求7所述的基于谐振环-MIM波导相干调控的全光逻辑门器件，其特征在于，所述port1和port4位于同一MIM波导，port2和port3位于同一MIM波导，且port1和port2位于同侧：
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port1或port2的反向信号作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为0，实现“与”门逻辑运算；所述正向表示端口向波导输入信号，反向表示波导向端口输出信号；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1、port2的正向信号分别作为输入信号A、B，port3、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为90度，实现“或”门逻辑运算；
两束入射光以单侧镜面对称入射，设定port1的正向信号作为参考光输入，port2的正向信号作为输入信号A，port4的反向信号作为输出信号Y，实现“非”门逻辑运算；
两束入射光以双侧对角线对称入射，设定port1、port3的正向信号分别作为输入信号A、B，port2、port4的反向信号相叠加作为输出信号Y，且两束入射光的相位差为180度，实现“异或”逻辑运算。
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