CN1696809A - 一种光波导全光逻辑门 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于全光计算、全光通信、集成光路等领域的无源光波导全光逻辑门器件。包括有若干个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导、若干个输出波导及多模干涉区(10)，其中输入波导和输出波导之间的连接部分是多模干涉区(10)，多模干涉区(10)的入口端与若干个输入波导相接，多模干涉区(10)的出口端分别与若干个输出波导相接。上述输入波导中任一个输入波导的输入为信号光脉冲，另几个输入波导的输入均为控制光脉冲或均无控制光脉冲输入或均为信号光脉冲或其中一个输入波导的输入为控制光脉冲，其余输入波导无控制光脉冲输入。输入波导的不同组合输入状态在多模干涉区中形成不同的干涉状态，输出波导相应输出“或”“非”“与非”和“或非”等多种不同的逻辑门功能。
Description
1、技术领域：
本发明涉及一种对光波信号实现多种不同逻辑运算的可用于全光计算、全光通信、集成光路等领域的无源光波导全光逻辑门器件，属于全光逻辑门器件的创新技术。
2、背景技术：
对近红外波段的信号光能实现各种逻辑门功能的单片集成光波导器件一直是全光计算、全光通信传输系统和集成光路所需的关键元器件。现行许多光逻辑门器件仍然是电光控制，需要很高的工作电压。而利用材料的非线性效应实现逻辑门功能的全光逻辑门器件，其功能都比较单一，且需要很强的信号光，而光纤通信所用的信号光强度一般只有毫瓦量级。另外，目前所用的光逻辑门器件还无法同时具有多种逻辑门和全光运作的功能和特性。
3、发明内容：
本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种同时具有多种逻辑功能的基于无源光波导的全光逻辑门器件。本发明可在同一种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，是一种方便实用的光脉冲控制全光逻辑门，可广泛用于全光计算、全光通信以及集成光路系统中。
本发明的结构示意图如附图1所示，包括有若干个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导、若干个输出波导及多模干涉区(10)，其中输入波导和输出波导之间的连接部分是多模干涉区(10)，多模干涉区(10)的入口端与若干个输入波导相接，多模干涉区(10)的出口端分别与若干个输出波导相接。
上述若干个输入波导包括有至少三个输入波导(4)(5)(6)，若干个输出波导包括有至少三个输出波导(7)(8)(9)，多模干涉区(10)的入口端与三个输入波导(4)(5)(6)相接，多模干涉区(10)的出口端分别与三个输出波导(7)(8)(9)相接。
上述输入波导(4)(5)(6)的折射率不相同，其中两个输入波导的折射率比另一输入波导的折射率低。
上述输入波导(4)(5)(6)输入的信号光脉冲和控制光脉冲的波长相同。
上述输入波导(4)(5)(6)输入的光脉冲及输出波导(7)(8)(9)输出的光波的工作波长为可用于光逻辑计算的波段。
上述输入波导(4)(5)(6)中任一个输入波导的输入为信号光脉冲，另两个输入波导的输入均为控制光脉冲或均无控制光脉冲输入或均为信号光脉冲或一个输入波导的输入为控制光脉冲，另一输入波导无控制光脉冲输入。
上述输入波导(4)(5)(6)的不同组合输入状态在多模干涉区(10)中形成不同的干涉状态，输出波导(7)(8)(9)相应输出不同的逻辑效果。
上述输入波导(4)(5)(6)及输出波导(7)(8)(9)均为单模波导，多模干涉区(10)为多模波导。
上述光波导器件(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)包括有衬底(1)、缓冲层(2)、光波导层(3)，缓冲层(2)和光波导层(3)依次覆盖在衬底(1)上。
上述光波导层(3)是对近红外光透明的光电子材料；上述衬底(1)、缓冲层(2)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料；上述光电子材料可以用常规的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化学汽相淀积方法生长。
本发明采用了具有三个输入波导、三个输出波导和一个多模干涉区的结构，通过改变信号光的输入端口以及控制光的输入端口实现不同的逻辑功能。此外，本发明可在同一种芯片上利用同一种微制作工艺技术实现单片集成，其可广泛用于全光计算、全光通信以及集成光路中。本发明是一种新型的光脉冲控制全光逻辑门。
4、附图说明：
下面结合附图详细说明本发明的具体结构：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的几种运作功能模拟结果示例图。
5、具体实施方式：
实施例：
本发明的结构示意图如图1所示，包括有若干个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导、若干个输出波导及多模干涉区(10)，其中输入波导和输出波导之间的连接部分是多模干涉区(10)，多模干涉区(10)的入口端与若干个输入波导相接，多模干涉区(10)的出口端分别与若干个输出波导相接。
本实施例中，上述若干个输入波导包括有至少三个输入波导(4)(5)(6)，若干个输出波导包括有至少三个输出波导(7)(8)(9)，多模干涉区(10)的入口端与三个输入波导(4)(5)(6)相接，多模干涉区(10)的出口端分别与三个输出波导(7)(8)(9)相接。上述输入波导(4)(5)(6)的折射率不相同，其中两个输入波导的折射率比另一输入波导的折射率低。上述输入波导(4)(5)(6)输入的信号光脉冲和控制光脉冲的波长相同。且输入波导(4)(5)(6)输入的光脉冲及输出波导(7)(8)(9)输出的光波的工作波长为可用于光逻辑计算的波段。
上述输入波导(4)(5)(6)中任一个输入波导的输入为信号光脉冲，另两个输入波导的输入均为控制光脉冲或均无控制光脉冲输入或均为信号光脉冲或一个输入波导的输入为控制光脉冲，另一输入波导无控制光脉冲输入。上述输入波导(4)(5)(6)的不同组合输入状态在多模干涉区(10)中形成不同的干涉状态，输出波导(7)(8)(9)相应输出不同的逻辑效果。
上述输入波导(4)(5)(6)及输出波导(7)(8)(9)均为单模波导，多模干涉区(10)为多模波导。
本实施例中，单模输入波导(4)(5)(6)和单模输出波导(7)(8)(9)的宽度都为10μm，多模干涉区(10)的宽度为38.4μm。单模输入波导(4)、(5)、(6)之间的间距为4μm，单模输出波导(7)、(8)、(9)之间的间距也为4μm。单模输入波导的长度为492μm，单模输出波导的长度为1028μm。多模干涉区(10)的长度为4980μm。器件总长度为6.5mm。所有波导的厚度都为2.5μm、脊高为1μm。输入波导(5、6)的折射率比波导(4)的低0.3％。
上述单模输入波导(4)(5)(6)、单模输出波导(7)(8)(9)及多模干涉区(10)可以是脊形波导，也可以是沟道波导。沟道波导可以是掩埋波导、植入波导或装载波导。本实施例中，输入波导(4)(5)(6)及输出波导(7)(8)(9)为脊形单模波导，多模干涉区(10)为脊形多模波导。
上述单模光波导和多模光波导的截面包括有衬底(1)、缓冲层(2)、光波导层(3)，缓冲层(2)和光波导层(3)依次覆盖在衬底(1)上。本实施例中，衬底(1)和缓冲层(2)的材料为硅(Si)，折射率是3.5；光波导层(3)和波导(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)的材料为硅锗(SiGe)；光波导(4)(7)(8)(9)(10)的折射率为3.507，光波导(5)(6)的折射率为3.504。
本发明在使用时可有多种功能，图2所示为其几种运作功能模拟结果示例图。功能模拟所用的信号光脉冲和控制光脉冲波长均为1550nm，且具有相同的初相位和振幅。模拟结果如下：
(1)当信号光分别或者同时耦合到输入波导(4)(5)(6)时，总会有光从输出波导(8)输出，如图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、和(g)所示。输出波导(8)显示了输入信号实现“或”运算。因此，这种情况下，逻辑门的功能为“或门”，其值从输出波导(8)输出。
(2)当信号光脉冲从输入波导(5)输入、控制光脉冲从光波导(4)和(6)输入时，控制脉冲光将分别独立控制输出波导(7)和(9)的开关状态。输出波导(7)和(9)是否有光输出仅取决于它们所对应的输入波导(4)和(6)是否存在脉冲控制光。如果存在控制光，则无光输出；如果不存在控制光，则有光输出，如图2(b)、(d)、(f)、和(g)所示。在这种情况下，逻辑门的功能为“非门”，其值从输出波导(7)和(9)输出。
同样，当信号光从输入波导(6)输入、控制光脉冲从光波导(4)和(5)输入时，控制脉冲光将分别独立控制输出波导(7)和(9)的开关状态。输出波导(7)和(9)是否有光输出仅取决于它们所对应的输入波导(4)和(5)是否存在脉冲控制光。如果存在控制光，则无光输出；如果不存在控制光，则有光输出，如图2(c)、(e)、(f)、和(g)所示。在这种情况下，逻辑门的功能也为“非门”，其值从输出波导(7)和(9)输出。
(3)当信号光从输入波导(4)输入，控制光从输入波导(5)和(6)输入时，如图2(a)、(d)、(e)、和(g)所示。在这种情况下，器件能同时有两种逻辑门的功能：“与非门”和“或非门”。只有当两束脉冲控制光同时存在时，输出波导(9)才没有光输出；另外只有当两束脉冲控制光同时不存在时，即只有信号光输入时，输出波导(7)才有光输出。因此，在这种情况下，器件同时有“与非门”和“或非门”两种逻辑功能，其中“与非门”的逻辑值从输出波导(9)输出，“或非门”的逻辑值从输出波导(7)输出。
Claims (10)
1、一种光波导全光逻辑门，其特征在于包括有若干个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导、若干个输出波导及多模干涉区(10)，其中输入波导和输出波导之间的连接部分是多模干涉区(10)，多模干涉区(10)的入口端与若干个输入波导相接，多模干涉区(10)的出口端分别与若干个输出波导相接。
2、根据权利要求1所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述若干个输入波导包括有至少三个输入波导(4)(5)(6)，若干个输出波导包括有至少三个输出波导(7)(8)(9)，多模干涉区(10)的入口端与三个输入波导(4)(5)(6)相接，多模干涉区(10)的出口端分别与三个输出波导(7)(8)(9)相接。
3、根据权利要求2所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)的折射率不相同，其中两个输入波导的折射率比另一输入波导的折射率低。
4、根据权利要求2所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)输入的信号光脉冲和控制光脉冲的波长相同。
5、根据权利要求2所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)输入的光脉冲及输出波导(7)(8)(9)输出的光波的工作波长为可用于光逻辑计算的波段。
6、根据权利要求1至5任一项所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)中任一个输入波导的输入为信号光脉冲，另两个输入波导的输入均为控制光脉冲或均无控制光脉冲输入或均为信号光脉冲或一个输入波导的输入为控制光脉冲，另一输入波导无控制光脉冲输入。
7、根据权利要求6所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)的不同组合输入状态在多模干涉区(10)中形成不同的干涉状态，输出波导(7)(8)(9)相应输出不同的逻辑效果。
8、根据权利要求7所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述输入波导(4)(5)(6)及输出波导(7)(8)(9)均为单模波导，多模干涉区(10)为多模波导。
9、根据权利要求8所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述光波导器件(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)包括有衬底(1)、缓冲层(2)、光波导层(3)，缓冲层(2)和光波导层(3)依次覆盖在衬底(1)上。
10、根据权利要求9所述的光波导全光逻辑门，其特征在于上述光波导层(3)是对近红外光透明的光电子材料；上述衬底(1)、缓冲层(2)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料；上述光电子材料可以用常规的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化学汽相淀积方法生长。
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