CN208283698U - 一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，涉及光子芯片技术领域，包括金属衬底、金属‑介质‑金属波导和多个微环谐振器，所述的金属衬底具有上表面，在上表面刻蚀有金属‑介质‑金属波导，金属‑介质‑金属波导两侧分别刻蚀有微环谐振器；所述的金属‑介质‑金属波导与微环谐振器具有同等高度，且最高处高于或等于金属衬底表面；本实用新型采用了微环谐振器耦合MIM波导结构，可完美支持SPPs波传导，具有较强的耦合谐振效应，适应于高性能光逻辑处理；将微环谐振器作为输入端口只需多增加微环谐振器的数量便实现多bit信号输入控制；对谐振器折射率有较强敏感度，从而实现在输出端口上的高低状态有很大的对比度，降低逻辑操作误码率。

Description

一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件

技术领域

本实用新型涉及光子芯片技术领域，尤其涉及一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件。

背景技术

光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，简称PIC)较传统的电子集成电路具有实现功能多，扛干扰能力强，没有温度漂移，传输速度更快，没有量子效应的限制等优点，有望成为下一代高速计算机的主要组成原件。近些年来同时集成了有源和无源器件的大规模PIC器件已经可以被制造出。在过去的研究中提出了多种已经被研究成熟的基础光路器件，诸如基于平面波导的光开关，光滤波器，光调制器，光复用/解复用器，激光器，各种光探测器等。然而如今在通信和计算机领域仍然主要使用全电子或者光电结合的逻辑操作器件，这些器件往往需要庞大的光电转换模块，这大大增加了通信的延迟和误码率，限制了通信技术的上限传输频率，而且由于量子效应，电子芯片的微型化和集成化越来越受到了限制，全光学逻辑PIC便被视为最有望取代如今电子计算机和通信的技术，也成为了近些年来的热点研究对象。

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polarions，简称SPPs)是一种可以由激光激发，在金属和电介质界面传播的特殊电磁波。因为其可以突破衍射极限，并且有很强的局域增强效应，可以实现纳米尺度的光信息传输，这些特点使其能够很好的运用在光纳米集成电路中充当传输介质的作用，被视为实现PIC的关键技术之一。除此之外还广泛应用于各种探测器，传感器和新型光源。

表面等离子体诱导透明(Plasmon Induced Transparency，简称PIT)，是一种类似于电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，简称EIT)的现象，由于不同能级间的相干相消作用而产生，具体表现在原本不透射的波段经过调节之后产生透明窗。

平板基底上制作金属-介质(空气)-金属(MIM)波导和微环谐振腔，可利用现已成熟的光刻蚀，电子束刻蚀，离子束刻蚀等技术低成本实现。谐振腔可作为对波导透射控制的开关，增加谐振腔的个数便可实现多比特的输入控制，克服了传统光逻辑器件只能实现2bit输入的缺陷。同时具有小型化、紧凑化、集成化、稳定性较好等优点得到广泛应用。

传统的PIT逻辑门器件通过调节结构参数进行调控，现有技术难以实现，且很少具有较高的输出高低信号对比度。所以可以设计出既能利用PIT的性能，又灵活便于调控的设备使至关重要的。而现今研究发现PIT效应可依赖于介质折射率不同而产生的去谐效应，多种技术可实现介质折射率的调控，如利用液晶折射率的各向异性外加场电压调控、利用磁流体对磁场或者温度等的敏感性进行调控、光子晶体折射率调控技术、胶体微流腔调控折射率技术等。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术的问题提供一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，具有结构简单，二维方向高度集成，多端口输入，高输出对比度的优点，可广泛应用在光计算和光信息处理领域。

为了实现上述目的，本实用新型提出一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，包括金属衬底、金属-介质-金属波导和多个微环谐振器，所述的金属衬底具有上表面，在上表面刻蚀有金属-介质-金属波导，金属-介质-金属波导两侧分别刻蚀有微环谐振器；所述的金属-介质-金属波导与微环谐振器具有同等高度，且最高处高于或等于金属衬底表面。

优选地，所述的微环谐振器个数为三个，其中两个微环谐振器刻蚀于金属-介质-金属波导的同侧，另一个微环谐振器刻蚀于金属-介质-金属波导的另一侧，该微环谐振器的圆心位于同侧微环谐振器圆心连线的垂直平分线上。

优选地，所述的金属-介质-金属波导为矩形凹槽结构，内部填充介质为空气，长度大于入射光的波长，宽度为10nm至160nm。

优选地，所述的金属衬底采用低德鲁德损耗的银介质。

优选地，所述的金属-介质-金属波导具有两个端口，所述两个端口完全等价，均可作为表面等离激元的输入端和输出端，进行交叉复用。

优选地，所述的微环谐振器，具有完全相同的结构参数，外环半径均为200nm至450nm，内环半径均为150nm至400nm，内环半径小于外环半径的值在10nm至80nm之间；圆心距离波导边缘均为200nm至400nm，同侧的环形谐振器的圆心距为400nm至2000nm。

优选地，所述的微环谐振器，内均填充有相同的折射率可调介质，调节范围为1.00～1.06。

优选地，所述的微环谐振器，分别作为输入端口，通过调节其内电介质的折射率控制PIT效应的产生和耦合谐振波长的移动，在输入端口处的固定波长上获得所需逻辑操作。

本实用新型有益效果是：

1、结构简单，便于制造；

2、采用了微环谐振器耦合MIM波导结构，可完美支持SPPs波传导，具有较强的耦合谐振效应，高品质因素，低损耗，适应于高性能光逻辑处理；

3、结构微型化，紧凑化便于集成；

4、利用对谐振器折射率的调节控制PIT效应较传统的结构参数调节更易实现；

5、将微环谐振器作为输入端口，只需多增加微环谐振器的数量便可实现多bit信号的输入控制，从而实现多信道处理；

6、较传统的基于马赫曾德干涉仪的光学逻辑器件，本实用新型大大降低了信道间的串扰，具有更强的稳定性；

7、对谐振器折射率有较强敏感度，从而实现在输出端口上的高低状态有很大的对比度，从而可以大大降低了逻辑操作的误码率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型第一优选实施例中微腔结构多比特输入的光学逻辑器件结构示意图；

图2为本实用新型一种优选实施例中微环谐振器折射率的透射光谱，其中，图(a)为环形谐振腔折射率从1.00调至1.06的透射光谱；图(b)为环形谐振腔折射率从1.00调至1.06时对应的PIT透明窗中心波长的移动示意图；

图3为本实用新型一种优选实施例中不同输入二进制信号的输出透射谱，其中，图(a)为输入二进制信号“000”时的输出透射谱；图(b)为输入二进制信号“001”时的输出透射谱；图(c)为输入二进制信号“010”时的输出透射谱；图(d)为输入二进制信号“011”时的输出透射谱；图(e)为输入二进制信号“100”时的输出透射谱；图(f)为输入二进制信号“101”时的输出透射谱；图(g)为输入二进制信号“110”时的输出透射谱；图(h)为输入二进制信号“111”时的输出透射谱。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件；

本实用新型第一优选实施例中，如图1所示，包括金属衬底1(采用低德鲁德损耗的银介质，即银介质基底1)、金属-介质-金属MIM波导2和3个微环谐振器，所述的银介质基底1具有上表面，在上表面刻蚀有金属-介质-金属MIM波导2，金属-介质-金属MIM波导2两侧分别刻蚀有微环谐振器；其中，微环谐振器3与微环谐振器4刻蚀于金属-介质-金属MIM波导2的同侧，微环谐振器5刻蚀于金属-介质-金属MIM波导2的另一侧，微环谐振器5的圆心位于微环谐振器3与微环谐振器4圆心连线的垂直平分线上；所述的金属-介质-金属MIM波导2与微环谐振器3、4、5具有同等高度，且最高处高于或等于金属衬底表面；

本实用新型实施例中，所述的金属-介质-金属MIM波导2为矩形凹槽结构，内部填充介质为空气，长度大于入射光的波长λ_SPPs，近似无限延伸，宽度为50nm；介质折射率为1；所激发的SPPs波从波导2的左侧端口I₁射入，从波导耦合进入环形谐振腔，在透射谱上形成耦合波峰和波谷，在右侧端口I₂射出；端口I₁和端口I₂完全等价，均可作为表面等离激元的输入端和输出端，进行交叉复用。

本实用新型第二优选实施例中，3个微环谐振器具有完全相同的结构参数，外环半径均为340nm，内环半径均为290nm，圆心距离波导边缘均为350nm，同侧的环形谐振器的圆心距为750nm。微环谐振器内均填充有相同的折射率可调介质，调节范围为1.00～1.06。

本实用新型第三优选实施例中，所述的微环谐振器，分别作为输入端口，通过调节其内电介质的折射率控制PIT效应的产生和耦合谐振波长的移动，在输入端口处的固定波长上获得所需逻辑操作。

本实用新型通过图2中图(a)和图(b)展示了所述器件通过调控环形谐振腔介质折射率对PIT效应产生的影响；图2中图(a)为任意环形谐振器的折射率固定为1.00，其他谐振器折射率从1.00调至1.06时在输出端口I₂所收集到的透射性能，随着环形谐振器之间的折射率差Δn逐渐增大，去谐效应更加明显，耦合的平衡对称性被打破，波导和具有不同折射率介质的谐振器产生耦合，这种耦合类似于不同能级跃迁之间的干涉效应，因此可看到在光谱上随着Δn的增大，PIT透明窗的顶部透射率逐渐增大，透明窗中心波长有红移趋势。如图2中图(b)所示，透明窗的中心波长随谐振器折射率的变化基本呈线性变换趋势，在折射率为1.06时，和折射率1.00相比已经有较大的PIT中心波长移动，和较明显的PIT透射窗产生。因此本实用新型具有较高的折射率敏感度，可作为基于折射率调控的高性能逻辑操作器件。

本实用新型实施例中，将环形谐振器折射率为1.00作为输入二进制低状态“0”，折射率1.06作为输入二进制高状态“1”；将环形谐振器3、4、5按顺序作为3bit输入端口ABC，分别输入：“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”八种状态时的透射谱；当输入状态为“000”时，环形谐振器3、4、5具有相同的折射率1.00，波导与谐振器之间的耦合具有平衡对称性，此时没有PIT的产生，当入射光波段固定在938nm时，环形谐振器之间的耦合效应非常微弱可忽略不计；当谐振器之间具有不同的折射率时，即输入的三位状态为“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”时，由于折射率差导致去谐振效应而产生PIT，但总有至少一个谐振器的折射率为1.00，在入射938nm时候，最靠近输入端口的折射率1.00的谐振器会将能量耦合进腔内导致输出低谷；当输入的状态为“111”时，3个谐振器具有相同的折射率1.06，此时没有PIT产生，但都不会与938nm的入射光产生耦合；

本实用新型实施例中，在波导的输出端口处，将透射率低于50％的信号作为输出二进制低状态“0”，将透射率高于50％的信号作为输出二进制高状态“1”；

本实用新型实施例中，当输入状态为“000”时，此时由于环形谐振器3最靠近入射端口I1而将波导中的大量能量耦合至腔内，激发出电磁场，导致很少的能量可以在I2端口输出，如图3中图(a)所示产生谐振透射低谷，输出的状态为“0”；输入的三位状态为“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”时，输出的状态为“0”；当输入的状态为“111”时，波导只有很少能量进入谐振器，大部分能量可以从I₂端口输出，即输出二进制状态“1”；此时可实现具有3bit输入的逻辑操作与门；

本实用新型实施例中，将环形谐振器折射率为1.00作为输入二进制低状态“0”，折射率1.06作为输入二进制高状态“1”；将环形谐振器3、4、5按顺序作为3bit输入端口ABC，如图3中图(a)至图(h)所示分别输入：“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”八种状态时的透射谱；当3个谐振器具有不同的折射率时，即输入“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”时，至少有一个谐振器的折射率为1.06，靠近入射端口处，折射率为1.06的谐振器会将大部分996nm的入射光能量耦合进腔内，导致在996nm处产生透射低谷；当输入状态为“000”和“111”时都不会产生PIT效应，如图3中图(a)和图(h)所示，938nm处实现的与门形成翻转，输入“000”时没有能量耦合进谐振器，导致能量大部分可以沿着波导输出到端口I₂；当输出状态为“111”时，环形谐振器3会将此波长的入射光大部分耦合进腔内；

本实用新型实施例中，在波导的输出端口处，将透射率低于50％的信号作为输出二进制低状态“0”，将透射率高于50％的信号作为输出二进制高状态“1”；“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”时，输出二进制状态“0”；输入“000”时，输出状态为“1”；输入“111”时，输出状态为“0”；此时可以实现或非门的逻辑操作。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，包括金属衬底、金属-介质-金属波导和多个微环谐振器，所述的金属衬底具有上表面，在上表面刻蚀有金属-介质-金属波导，金属-介质-金属波导两侧分别刻蚀有微环谐振器；所述的金属-介质-金属波导与微环谐振器具有同等高度，且最高处高于或等于金属衬底表面。

2.根据权利要求1所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的微环谐振器个数为三个，其中两个微环谐振器刻蚀于金属-介质-金属波导的同一侧，另一个微环谐振器刻蚀于金属-介质-金属波导的另一侧，该微环谐振器的圆心位于同侧微环谐振器圆心连线的垂直平分线上。

3.根据权利要求1所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的金属-介质-金属波导为矩形凹槽结构，凹槽结构内部填充的介质为空气，凹槽结构长度大于入射光的波长，凹槽结构宽度为10nm至160nm。

4.根据权利要求1所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的金属衬底的材料采用低德鲁德损耗的银介质。

5.根据权利要求1所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的金属-介质-金属波导具有两个端口，所述两个端口完全等价，均可作为表面等离激元的输入端和输出端，进行交叉复用。

6.根据权利要求2所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的微环谐振器，具有完全相同的结构参数，外环半径均为200nm至450nm，内环半径均为150nm至400nm，内环半径小于外环半径的值在10nm至80nm之间；圆心距离波导边缘均为200nm至400nm，同侧的环形谐振器的圆心距为400nm至2000nm。

7.根据权利要求1或2所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的微环谐振器，其内部均填充有相同的折射率可调介质，折射率调节范围为1.00～1.06。

8.根据权利要求1或2所述的微腔结构多比特输入的光学逻辑器件，其特征在于，所述的微环谐振器，分别作为输入端口，通过调节其内电介质的折射率控制PIT效应的产生和耦合谐振波长的移动，在输入端口处的固定波长上获得所需逻辑操作。