CN208207473U - 光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，属于集成光学领域。所述光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由第一光子晶区、第二光子晶区、光信号输入端a和b、光信号输出端A和B组成；其中：所述光信号输入端a和b均位于光子晶体结构的一端，所述光信号输出端A和B对应的位于光信号输入端的对面。本实用新型光逻辑功能效果良好，不依赖外场，抗干扰能力强，易于其他光学逻辑元件进行集成，成本较低。

Description

光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门

技术领域

本实用新型涉及集成光学领域领域，特别是指一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门。

背景技术

全光逻辑门是未来光计算中的基本逻辑单元，是关键的核心器件。类似于电子学中的逻辑门，全光逻辑门是以波导中的光子作为信息的载体，通过控制泵浦光来调制信号光的输出。波导的各个输入输出端的对应关系可以构成一个真值表，其中逻辑状态(0或1)由端口的泵浦光和信号光的光功率决定。之所以称为全光逻辑门，是因为信号光由泵浦光调制，即用光来控制光。与电光调制方式相比，全光调制避免了信号在光-电-光之间的转换，从而可以获得更高的调制速率以及更低的功耗，并且基于半导体材料微纳波导的全光逻辑门可以在更高集成度的单芯片集成中扮演更重要的角色。除了可以实现上述的组合逻辑，全光逻辑门也可以实现时序逻辑，进行全光信号处理。例如,在高速大容量光通信网络中，全光逻辑门可以用来实现头信号提取和全光路由等功能。因此，全光逻辑门也是未来全光通信网络中的关键器件。

光子晶体是E.Yab l onovitch与S.John于1987年在研究如何控制材料的自发辐射性质时分别提出的新概念和新材料。光子晶体之所以被称为“晶体”是因为，光子晶体是一种折射率周期性排布的介质结构，就像在固体中原子的排列一样，具有周期性。所谓光子晶体就是两种或两种以上介质在空间上的周期性排列组成的一种人工晶体而是其中的结构呈周期性规则排列，因而存在光子能带和光子能隙。正是因为光子晶体的结构与真正晶体具有相似性，所以光子晶体的光学特性有些类似于半导体的电学性质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制波长和其晶格常数可比拟的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。一定频率范围内的电磁波，如果正好位于光子带隙内，在光子晶体的特定方向上就会被强烈反射，不能通过，而其它频率的电磁波能够通过光子晶体。光子带隙是光子晶体最重要的特性，也是光子晶体受到科学家们青睐的重要原因。利用光子晶体具有光子带隙的重要特性，人们做出了各种光子晶体器件，包括光子晶体波导，光子晶体微腔，光子晶体滤波器，光子晶体分束器等等，这些器件在将来的光子集成回路中会起到重要作用。同时光子晶体还作为重要的载体在量子信息中应用。

随着光通信技术的进一步发展和光子晶体研究热潮的兴起,全光逻辑门是集成光学中非常重要的发展方向，是光计算的核心关键器件,同时也是全光通信网络中的关键器件。然而现今全光逻辑门普遍基于干涉效应或非线性效应，材料成本均较高，且不易集成，对入射信号的功率和相位有着严格的要求，因而一种更高速率、更低功耗、更高集成度的全光逻辑门结构就显得非常必要。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种不依赖外场，抗干扰能力强，易于其他光学逻辑元件进行集成，成本较低的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

一方面，提供一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由第一光子晶区、第二光子晶区、光信号输入端a和b、光信号输出端A和B组成；

其中：所述光信号输入端a和b均位于光子晶体结构的一端，所述信号输入端a与第一光子晶区连接；

所述光信号输入端b与第二光子晶区连接；

所述光信号输出端A和B对映的位于光信号输入端的另一端；

所述第一光子晶区与第二光子晶区沿45°方向斜边连接，形成微腔结构。

进一步的，所述第一光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r1，r1满足大小等于0.24d。

进一步的，所述第二光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r2，r2满足大小等于0.36d。

进一步的，所述第二光子晶区的结构为矩形并等腰直角三角形；所述矩形结构内以信号输入端a口为起点设有一条45°斜列，所述等腰直角三角形结构近光信号输出端。

进一步的，所述45°斜列上均匀排布有空气孔半径为r1和r2的2种空气孔；所述r2的正方晶格以等腰直角三角形结构的垂线与45°斜列交点为中心点，两边分别设置1个r2的空气孔。

进一步的，所述光子晶体为2k×(2k+3)的阵列结构，k为大于或等于3的整数；阵列中所有正方晶格之间的点心距相等。

另一方面，本实用新型还提供上述光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门的操作方法，在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端a或/和光信号输入端b，实现逻辑门与/或非的功能。

进一步的，所述光约化频率为0.2550-0.3范围内，对于光信号输出端A，优选光约化频率为0.2669-0.2818；进一步优选0.2721-0.2818；光信号输入端a和/或光信号输入端b为0dB时，可以实现逻辑与门的功能；对于光信号输出端B，优选光约化频率为0.2757-0.2782；进一步优选0.2782，光信号输入端a和/或光信号输入端b为0dB时，可以实现逻辑与门的功能。

逻辑与门的效应指仅当输入双通道都处于激活状态时，输出端处于高输出状态，而单一输入通道激活或者无通道激活时，输出端处于低输出状态。

进一步的，所述光约化频率为0.23-0.2549范围内，对于光信号输出端B，优选光约化频率为0.2537，光光信号输入端a和/或光信号输入端b为0dB时，可以实现逻辑或非门的功能。

逻辑或非门的效应指当单一输入通道激活时，输出端处于高输出状态，而输入双通道都处于激活状态或者无通道激活时，输出端处于低输出状态。

进一步的，光约化频率为光子晶体晶格常数d与光波长度λ的比值。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型不依赖外界磁场，不易受到干扰，不会对周围环境造成其他不可预估的影响，使用寿命也比依赖永磁体寿命的普通光隔离器要长；

2、本实用新型成本较低，所用材料仅为普通硅板，不需特别处理，结构不需外加磁场，省去稀土材料制造永磁体的成本，制造仅依赖成熟的微纳硅加工技术即可；

3、本实用新型易于集成，本实用新型仅需等比例放大或缩小结构，便可适配各种光路系统，且与现今集成电路、光路系统所用材料相同，易于耦合。

附图说明

图1为本实用新型的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门的正视图；

图2为本实用新型光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门用于实现两种全光逻辑门原理示意图；

图3为本实用新型的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门用于实现两种全光逻辑门光信号输出端A光强图；

图4为本实用新型的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门的用于实现两种全光逻辑门光信号输出端B光强图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型针对现有技术中，全光逻辑门普遍基于干涉效应或非线性效应，材料成本均较高，且不易集成，对入射信号的功率和相位有着严格的要求的问题，提供一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门。

本实用新型中光信号输入端a和b均采用的为1550nm的通讯波段红外光光波。

实施例1

光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，包括光子晶体结构，由第一光子晶区(PC1)、第二光子晶区(PC2)、光信号输入端a和b、光信号输出端A和B组成；

其中：光信号输入端a和b均位于光子晶体结构中近PC2的一端，信号输入端a与第一光子晶区连接；

光信号输入端b与第二光子晶区连接；

光信号输出端A和B对映的位于光信号输入端的另一端；

所述第一光子晶区与第二光子晶区沿45°方向斜边连接，形成微腔结构。

进一步的，第一光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r1，r1大小为0.24d。

进一步的，第二光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r2，r2大小为0.36d。

进一步的，第二光子晶区的结构为矩形并等腰直角三角形；所述矩形结构内以信号输入端a口为起点设有一条45°斜列，所述等腰直角三角形结构近光信号输出端。

进一步的，45°斜列上均匀排布有空气孔半径为r1和r2的2种空气孔；所述r2的正方晶格以等腰直角三角形结构的垂线与45°斜列交点为中心点，两边分别设置1个r2的空气孔。

进一步的，光子晶体为16×19的阵列结构。

实施例2

本实用新型就是通过利用第二光子晶体区的光子晶体微腔方向辐射连接对应的光二极管的设计实现对光波的全光逻辑与门效果。如图2左侧所示，第二光子晶体区含有一45度斜列包含左右4个周期的第一光子晶体，形成一个微腔结构。由图2右侧下图所示，微腔结构在工作频率时发生共振，辐射形如“X”；由图2左侧图旋转45°后(图2右侧上图)可知，其中上方分支对应于光信号输出端A，右方分支对应于光信号输出端B；光信号输入端a、b从微腔正左与正下方入射进入微腔，当单一光信号输入端a或者b激活时，能量被中心微腔吸收，并向辐射模式的四个方向均匀辐射。

当微腔处在工作频率、且当光信号输入端波导a和b同时激活时，两输入光在中心微腔发生干涉增强，输出端处于高输出状态，所以造成逻辑与门的效应。

当微腔不处在工作频率、且当光信号输入波导a和b同时激活时，两输入光在中心微腔发生干涉相消，输出端处于低输出状态，所以造成逻辑或非门的效应。

实施例3

光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门的操作方法，在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端a或/和光信号输入端b，实现逻辑与门的功能。

对于光信号输出端A：

当两输入光约化频率为0.2818d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为436.79nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端A测得输出能量为-17dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端A测得输出能量为-11dB。单输入与双输入信号相差+6dB，约为4倍，达到逻辑与门的功能。

当两输入光约化频率为0.2721d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为421.755nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端A测得输出能量约为-16dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端A测得输出能量为-10.74dB。单输入与双输入信号相差+5.dB，约为3.36倍，达到逻辑与门的功能。

当两输入光约化频率为0.2669d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为413.695nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端A测得输出能量为-17.68dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端A测得输出能量为-13.35dB。单输入与双输入信号相差+4.33dB，约为2.71倍，达到逻辑与门的功能。

对于光信号输出端B：

当两输入光约化频率为0.2782d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为431.21nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-18.8dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端B测得输出能量为-12.8dB。单输入与双输入信号相差+6dB，约为4倍，达到逻辑与门的功能。

当两输入光约化频率为0.2757d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为427.335nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-19.76dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端B测得输出能量为-15.39dB。单输入与双输入信号相差+4.37dB，约为2.73倍，达到逻辑与门的功能。

实施例4

光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门的操作方法，在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端a或/和光信号输入端b，实现逻辑或非门的功能。

对于光信号输出端B

当两输入光约化频率为0.2537d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为393.235nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-20.8dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，输出波导B测得输出能量为-35.1dB。单输入与双输入信号相差-14.3dB，约为27分之一，达到逻辑或非门的功能。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由第一光子晶区、第二光子晶区、光信号输入端a和b、光信号输出端A和B组成；

其中：所述光信号输入端a和b均位于光子晶体结构的一端，所述光信号输入端a与第一光子晶区连接；

所述光信号输入端b与第二光子晶区连接；

所述光信号输出端A和B对映的位于光信号输入端的另一端；

所述第一光子晶区与第二光子晶区沿45°方向斜边连接，形成微腔结构。

2.根据权利要求1所述的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，所述第一光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r1；r1大小为0.24d。

3.根据权利要求1所述的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，所述第二光子晶区为220nm厚硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数为d，空气孔半径为r2；r2大小为0.36d。

4.根据权利要求1所述的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，所述第二光子晶区中光子晶体排列的图形结构为矩形结构和等腰直角三角形结构组成；所述矩形结构的一个长边和等腰直角三角形的斜边重合；所述矩形结构内以光信号输入端a口为起点设有一条45°斜列，所述等腰直角三角形结构近光信号输出端。

5.根据权利要求4所述的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，所述45°斜列上均匀排布有空气孔半径为r1和r2的2种空气孔；所述r2的正方晶格以等腰直角三角形结构的垂线与45°斜列交点为中心点，两边分别设置1个r2的空气孔。

6.根据权利要求1-5任一所述的光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，其特征在于，所述光子晶体为2k×(2k+3)的阵列结构，k为大于或等于3的整数。