CN204129403U - 基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，第一、第二纳米线波导分别通过第一、第二方向耦合器将输入光信号耦合进第一微环谐振腔，并在其中进行逻辑运算，第一微环谐振腔经过第一方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进第一纳米线波导；第三、第四纳米线波导分别通过第三、第四方向耦合器将输入光信号耦合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，第二微环谐振腔经过第四方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进第四纳米线波导；第一、第四纳米线波导的输出光信号经过第三Y分支耦合器合束后输出。本实用新型可实现高性能、低损耗的全光异或逻辑门；有效缩减器件的横向尺寸，有利于实现高密度的器件集成。

Description

基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门

技术领域

本实用新型涉及全光逻辑运算器件领域，尤其涉及一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门。

背景技术

随着全球网络速度的飞速发展，对光通信的传输容量和信息处理能力提出了更高的要求。由于传统光通信系统存在着体积庞大、结构复杂、能耗高等难题，难以适应网络速度的飞速发展和绿色节能环保的要求，所以解决上述问题的根本方法之一就是构建光电子集成芯片，直接在光域内对信号进行处理和交换。

全光异或逻辑门作为光信息处理单元中最重要的逻辑功能之一，它是二进制半加器及相关逻辑运算单元的基本构件。因此，如何设计高速、低损耗的全光“异或”逻辑门，并实现它与其他逻辑功能单元的单片集成是光信息处理和全光通信领域的研究热点。

目前，已提出多种基于半导体光放大器(SOA)、光子晶体波导、微光机电系统(MOEMS)、微环谐振器和环形激光器等结构的全光“异或”逻辑门，并得到实验验证。与其它结构的逻辑门相比，基于环形激光器结构的全光“异或”逻辑门具有结构简单紧凑、开关能量低、输出消光比高、工作稳定、与半导体工艺兼容等优点。而且随着工作速度的提高，器件尺寸和功耗可进一步降低，因而比基于半导体光放大器(SOA)和微光机电系统(MOEMS)的全光逻辑门更适合大规模集成。

最近，余思远等人对侧向耦合结构的微环激光器进行了系统研究，阐述了其中的非线性光学效应和光学双稳态等基本物理现象的起源，并基于微环激光器的光学双稳态实现了全光异或逻辑门。然而，侧向耦合微环激光器的环形谐振腔和输入/输出波导处在同一平面，两者的材料结构完全相同，因而输入/输出波导的吸收损耗大。另外，为了实现波导与环形谐振腔之间的高效耦合，二者的耦合间距极小(0.1～0.3μm)，因而必须使用电子束曝光、感应耦合等离子体刻蚀等半导体工艺设备。这不仅使得器件制备成本昂贵，而且工艺精度也难以控制。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，本实用新型实现了工艺难度低、光损耗小、且与半导体制备工艺兼容的全光逻辑器件，详见下文描述：

一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，包括：第一Y分支耦合器和第二Y分支耦合器，

所述第一Y分支耦合器的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器和第三衰减器，所述第二Y分支耦合器的合束端接输入信号B，两个分支分别接第二衰减器和第四衰减器；

所述第一衰减器的另一端接第一纳米线波导的输入端，所述第二衰减器的另一端接第二纳米线波导的输入端，所述第三衰减器的另一端接第三纳米线波导的输入端，所述第四衰减器的另一端接第四纳米线波导的输入端；

所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导分别通过第一方向耦合器和第二方向耦合器将输入光信号耦合进第一微环谐振腔，并在其中进行相应的逻辑运算，所述第一微环谐振腔经过所述第一方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第一纳米线波导；

所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导分别通过第三方向耦合器和第四方向耦合器将输入光信号耦合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，所述第二微环谐振腔经过所述第四方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第四纳米线波导；

所述第一纳米线波导和所述第四纳米线波导的输出光信号经过第三Y分支耦合器合束后输出。

所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波导、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器及所述第三Y分支耦合器在同一平面内。

所述第一微环谐振腔在所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导之间；所述第二微环谐振腔在所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导之间。

所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波导、所述第一微环谐振腔、所述第二微环谐振腔、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器、所述第三Y分支耦合器和均采用条形或脊型波导结构。

每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极和N型电极，第一微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极构成第一微环激光器，第二微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极构成第二微环激光器。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、本实用新型利用微环激光器的光学双稳态特性，实现了全光异或的逻辑功能。

2、采用垂直耦合微环激光器结构实现的全光异或逻辑门属于三维集成器件，可有效缩减器件的横向尺寸，有利于实现器件的高密度集成。

3、采用本技术方案实现的全光异或逻辑门具有工艺简单、成本低、开关能量低及可靠性高等优点，有利于实际应用。

附图说明

图1为一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门的结构示意图；

图2为垂直耦合微环激光器的三维示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一纳米线波导；                         2：第二纳米线波导；

3：第三纳米线波导；                         4：第四纳米线波导；

5：第一微环谐振腔；                         6：第二微环谐振腔；

7：第一方向耦合器；                         8：第二方向耦合器；

9：第三方向耦合器；                         10：第四方向耦合器；

11：第一Y分支耦合器；                       12：第二Y分支耦合器；

13：第三Y分支耦合器；                       14：第一衰减器；

15：第二衰减器；                            16：第三衰减器；

17：第四衰减器；                            18：P型电极；

19：N型电极；                               20：N型InP衬底；

21：N型InP下包层；                          22：AlGaInAs多量子阱有源层；

23：P型InP上包层；                          24：InGaAs接触层；

25：平坦化聚合物介质；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

与侧向耦合结构的微环激光器不同的是，垂直耦合结构的微环激光器的环形谐振腔和输入/输出波导处于不同平面，可以独立优化设计，因而可以提高器件性能，降低工艺难度。

本实用新型提供了一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门结构，参见图1，该结构包括第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、第三纳米线波导3、第四纳米线波导4、第一微环谐振腔5、第二微环谐振腔6、第一方向耦合器7、第二方向耦合器8、第三方向耦合器9、第四方向耦合器10、第一Y分支耦合器11、第二Y分支耦合器12、第三Y分支耦合器13、第一衰减器14、第二衰减器15、第三衰减器16、第四衰减器17。

其中，第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、第三纳米线波导3、第四纳米线波导4、第一Y分支耦合器11、第二Y分支耦合器12及第三Y分支耦合器13在同一平面内。

为使器件结构紧凑，同时避免第二纳米线波导2和第三纳米线波导3之间发生耦合，二者之间的距离以5～10μm为宜。第一微环谐振腔5在第一纳米线波导1和第二纳米线波导2下面的相邻平面内，且位于第一纳米线波导1和第二纳米线波导2之间。第二微环谐振腔6在第三纳米线波导3和第四纳米线波导4下面的相邻平面内，且位于第三纳米线波导3和第四纳米线波导4之间。

第一Y分支耦合器11的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器14和第三衰减器16，第二Y分支耦合器12的合束端接输入信号B，两个分支分别结第二衰减器15和第四衰减器17。第一衰减器14的另一端接第一纳米线波导1的输入端I1，第二衰减器15的另一端接第二纳米线波导2的输入端I2，第三衰减器16的另一端结第三纳米线波导3的输入端I3，第四衰减器17的另一端接第四纳米线波导4的输入端I4。第一纳米线波导1和第二纳米线波导2分别通过第一方向耦合器7和第二方向耦合器8将输入光信号耦合进第一微环谐振腔5，并在其中进行相应的逻辑运算，第一微环谐振腔5经过第一方向耦合器7将运算所得的输出光信号耦合进第一纳米线波导1。第三纳米线波导3和第四纳米线波导4分别通过第三方向耦合器9和第四方向耦合器10将输入光信号耦合进第二微环谐振腔6，并进行相应的逻辑运算，而第二微环谐振腔6经过第四方向耦合器10将运算所得的输出光信号耦合进第四纳米线波导4。第一纳米线波导1和第四纳米线波导4的输出光信号经过第三Y分支耦合器13合束后，在Output端输出。

上述方案中，第一微环谐振腔5、第二微环谐振腔6包括由脊型波导或条形波导构成的任意闭合环路。参见图2，每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极18和N型电极19。微环形谐振腔、P型电极18和N型电极19都是微环激光器的组成部分，共同实现微环激光器的光激射。其中，第一微环谐振腔5、相应的P型电极18和N型电极19构成第一微环激光器SRL1，第二微环谐振腔6、相应的P型电极18和N型电极19构成第二微环激光器SRL2。

上述方案中，第一微环激光器SRL1、第二微环激光器SRL2的N型电极接地，P型电极施加合适的偏置电流，以保证第一微环激光器SRL1、第二微环激光器SRL2工作在仅有顺时针或逆时针激射模式的单向双稳态。

其中，输入信号A经第一Y分支耦合器11分束后，形成两路信号，两路信号分别经第一衰减器14和第三衰减器16衰减后，分别输入第一纳米线波导1和第三纳米线波导3。输入信号B经第二Y分支耦合器12分束后，也形成两路信号，这两路信号经第二衰减器15和第四衰减器17衰减后，分别输入第二纳米线波导2和第四纳米线波导4。

调整第一衰减器14和第二衰减器15的衰减量，使第一微环激光器SRL1输入端I1和I2的光功率满足条件：1_B1>1_A1>0_B1>0_A1(即信号B逻辑“1”的光功率大于信号A逻辑“1”的光功率，信号A逻辑“1”的光功率大于信号B逻辑“0”的光功率，信号B逻辑“0”的光功率大于信号A逻辑“0”的光功率)。

(1)当信号B的光功率为逻辑“1”时，不论信号A光功率的逻辑电平为“1”或“0”，第一微环激光器SRL1的激射模式由信号B控制，即第一微环激光器SRL1的激射模式为逆时针，此时第一纳米线波导1输出低功率，即逻辑值为“0”。

(2)当信号B的光功率为逻辑“0”，信号A的光功率也为逻辑“0”时，由于信号B低电平的光功率大于信号A低电平的光功率，所以第一微环激光器SRL1的激射模式维持不变，此时第一纳米线波导1的输出仍为低功率，即逻辑值为“0”。

(3)只有当信号B的光功率为逻辑“0”，信号A的光功率为逻辑“1”时，第一微环激光器SRL1的激射模式才由信号A控制，即第一微环激光器SRL1的激射模式从逆时针切换为顺时针，此时第一纳米线波导1输出高功率，即逻辑值为“1”。

因此，输入信号的光功率与第一纳米线波导1的输出信号光功率之间的对应关系构成如下所示的逻辑真值表。

调整第三衰减器16和第四衰减器17的衰减量，使第二微环激光器SRL2的输入端I3和I4的输入光功率满足条件：1_A2>1_B2>0_A2>0_B2(即信号A的“1”逻辑光功率大于信号B的“1”逻辑光功率，且信号B的“1”逻辑光功率大于信号A的“0”逻辑光功率，信号A的“0”逻辑光功率大于信号B的“0”逻辑光功率)。

(1)当信号A的光功率为逻辑“1”时，不论信号B的光功率逻辑为“1”或“0”，第二微环激光器SRL2的激射模式由信号A控制，即第二微环激光器SRL2的激射模式为顺时针，此时第四纳米线波导4输出低功率，即逻辑值为“0”。

(2)当信号A的光功率为逻辑“0”，信号B的光功率逻辑为“0”时，由于信号A的“0”逻辑光功率大于信号B的“0”逻辑光功率，所以第二微环激光器SRL2的激射模式维持不变，此时第四纳米线波导4的输出仍为低功率，即逻辑值为“0”。

(3)只有当信号A的光功率为逻辑“0”，信号B的光功率逻辑为“1”时，第二微环激光器SRL2的激射模式才由信号B控制，即第二微环激光器SRL2的激射模式从顺时针切换为逆时针，此时第四纳米线波导4输出高功率，即逻辑值为“1”。因此，第二微环激光器SRL2的输入信号光功率与第四纳米线波导4的输出信号光功率之间的对应关系构成如下所示的逻辑真值表。

第一纳米线波导1的输出信号O1和第四纳米线波导4的输出信号O2分别输入第三Y型耦合器13的两个分支，经过第三Y型耦合器13合束后，完成“与”逻辑运算。

其中，输入信号光功率与输出信号光功率的对应关系构成下表所示的异或逻辑真值表。

输入信号光功率与输出信号光功率之间的对应关系可构成相应的异或逻辑关系。

上述方案中，第一微环谐振腔5和第二微环谐振器6由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料制作而成，第一纳米线直波导1、第二纳米线波导2、第三纳米线波导3、第四纳米线波导4、第一Y分支耦合器11、第二Y分支耦合器12和第三Y分支耦合器13均采用低损耗、折射率可调的聚合物材料；第一方向耦合器7、第二方向耦合器8、第三方向耦合器9和第四方向耦合器10由聚合物/Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体复合材料制作而成。

上述方案中，第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、第三纳米线波导3、第四纳米线波导4、第一微环谐振腔5、第二微环谐振腔6、第一Y分支耦合器11、第二Y分支耦合器12和第三Y分支耦合器13均采用条形或脊型波导结构，上述条形或脊型波导结构均满足单模传输条件。

参见图2，本实施例提供的基于聚合物/InP复合材料体系的垂直耦合微环激光结构的全光异或门制作在InP/AlGaInAs多量子阱外延晶片上。外延晶片包括N型InP衬底20、N型InP下包层21、AlGaInAs多量子阱有源层22、P型InP上包层23以及InGaAs接触层24。首先，利用半导体刻蚀技术在外延晶片上制备出脊型或条形波导结构的第一微环谐振腔5和第二微环谐振腔6。然后，旋涂聚合物介质25平坦化晶片表面。随后光刻出第一微环激光器SRL1和第二微环激光器SRL2的P型电极图形窗口，并制备出各自独立的P型电极18。之后，旋涂低损耗的波导聚合物(如含氟聚酰亚胺(PI)、改性的聚甲酯丙烯酸甲酯(PMMA)、苯并环丁稀(BCB)等)，并制备出单模传输的聚合物纳米线波导和方向耦合器。最后，将InP衬底20减薄至150μm，并在晶片背面制备N型电极19。

为使第一微环激光器SRL1和第二微环激光器SRL2的性能接近，芯片面积最小化，第一微环激光器SRL1和第二微环激光器SRL2应尽可能紧邻。需要说明的是，为防止第二纳米线波导2和第三纳米线波导3发生相互耦合，两波导间距应控制在5～10μm之间。

在第一微环激光器SRL1和第二微环激光器SRL2的两电极间分别通以合适的电流(通常偏置电流取阈值电流的2倍)，使其偏置在仅有顺时针或逆时针激射模式的单向双稳态。工作时，调整输入信号A和B的光波长，使其与微环激光器的激射波长一致。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，包括：第一Y分支耦合器和第二Y分支耦合器，

所述第一Y分支耦合器的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器和第三衰减器，所述第二Y分支耦合器的合束端接输入信号B，两个分支分别接第二衰减器和第四衰减器；

所述第一衰减器的另一端接第一纳米线波导的输入端，所述第二衰减器的另一端接第二纳米线波导的输入端，所述第三衰减器的另一端接第三纳米线波导的输入端，所述第四衰减器的另一端接第四纳米线波导的输入端；

所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导分别通过第一方向耦合器和第二方向耦合器将输入光信号耦合进第一微环谐振腔，并在其中进行相应的逻辑运算，所述第一微环谐振腔经过所述第一方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第一纳米线波导；

所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导分别通过第三方向耦合器和第四方向耦合器将输入光信号耦合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，所述第二微环谐振腔经过所述第四方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第四纳米线波导；

所述第一纳米线波导和所述第四纳米线波导的输出光信号经过第三Y分支耦合器合束后输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，

所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波导、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器及所述第三Y分支耦合器在同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，

所述第一微环谐振腔在所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导之间；所述第二微环谐振腔在所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，

所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波导、所述第一微环谐振腔、所述第二微环谐振腔、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器和所述第三Y分支耦合器均采用条形或脊型波导结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，

每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极和N型电极，第一微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极构成第一微环激光器，第二微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极构成第二微环激光器。