CN104483805A - 光子晶体记忆式全光或与逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体记忆式全光或与逻辑门，它包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由两个输入端，一个输出端及一个闲置端口组成；该光子晶体结构的第一输入端、第二输入端分别与信号A、信号B连接。本发明具有高、低逻辑输出对比度高、运算速度快、抗干扰能力强、易与其他光学逻辑元件进行集成。

Description

光子晶体记忆式全光或与逻辑门

技术领域

本发明涉及二维光子晶体、光学逻辑门

背景技术

1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和Princeton大学的S.John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体(Photonic Crystal)的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通常由两种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。

随着光子晶体的提出和深入研究，人们可以更灵活、更有效地控制光子在光子晶体材料中的运动。在与传统半导体工艺和集成电路技术相结合下，人们通过设计与制造光子晶体及其器件不断的往全光处理飞速迈进，光子晶体成为了光子集成的突破口。1999年12月，美国权威杂志《科学》将光子晶体评为1999年十大科学进展之一，也成为了当今科学研究领域的一个研究热点。

全光逻辑器件主要包括基于光放大器的逻辑器件、非线性环形镜逻辑器件、萨格纳克干涉式逻辑器件、环形腔逻辑器件、多模干涉逻辑器件、耦合光波导逻辑器件、光致异构逻辑器件、偏振开关光逻辑器件、传输光栅光逻辑器件等。这些光逻辑器件对于发展大规模集成光路来说都有体积大的共同缺点。随着近年来科学技术的 提高，人们还发展研究出了量子光逻辑器件、纳米材料光逻辑器件和光子晶体光逻辑器件，这些逻辑器件都符合大规模光子集成光路的尺寸要求，但对于现代的制作工艺来说，量子光逻辑器件与纳米材料光逻辑器件在制作上存在很大的困难，而光子晶体光逻辑器件则在制作工艺上具有竞争优势。

近年来，光子晶体逻辑器件是一个备受瞩目的研究热点，它极有可能在不久将来取代目前正广泛使用的电子逻辑器件。

在实现全光计算的进程中，基于“与”、“或”、“非”、“异或”等光子晶体逻辑功能器件已经被成功设计研究，而实现全光计算的目标仍需要各种各样复杂的逻辑元器件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，抗干扰能力强的光子晶体记忆式全光或与逻辑门。

为了解决上述存在的技术问题，本发明通过下述技术方案：本发明的光子晶体记忆式全光或与逻辑门包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由两个输入端，一个输出端和一个闲置端口组成；该光子晶体结构的第一输入端、第二输入端分别与信号A、信号B连接。

所述的光子晶体结构单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，该二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质杆与一根正方形非线性介质杆在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，中心正方形非线性介质杆与相邻的四根长方 形线性介质杆相贴，该中心正方形非线性介质杆为克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9，所述高折射率线性介质杆的介电常数与非线性介质杆弱光条件下的介电常数相等。

所述的高折射率线性介质杆由二维光子晶体“十”字交叉波导四端口网络构成，通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在所述交叉波导的中部设置有中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料；所述准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。

所述光子晶体为(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。

所述二维光子晶体的高折射率线性介质杆的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者多边形。

所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为3.4或者大于2的值。

所述中间介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形。

所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为矩形、多边形、圆形或者椭圆形。

所述二维光子晶体的背景填充材料包括空气和折射率小于1.4的低折射率介质。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.本发明器件具有结构紧凑，高、低逻辑输出对比度高，响应 速度快，且易与其他光学逻辑元件进行集成。

2.基于二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑特性，在光子晶体记忆式全光或与逻辑门基础上，通过加入光开关、存储器或延迟器等单元器件可实现多种光学逻辑器件功能，如全光D触发器、全光抗干扰触发开关、全光“与”变换逻辑门等。

3.光子晶体逻辑器件可直接进行全光的“与”、“或”、“非”等逻辑功能，是实现全光计算的核心器件，具有抗干扰能力强、运算速度快。

附图说明

图1示出本发明的光子晶体记忆式全光或与逻辑门结构图。

图中:第一输入端1第二输入端2闲置端口3输出端4圆形高折射率线性介质杆5第一长方形高折射率线性介质杆6第二长方形高折射率线性介质杆7中心非线性介质杆8信号A信号B

图2为本发明在晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm的逻辑功能的波形图。

图3为本发明在晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm逻辑功能的波形图。

图4为图1所示二维光子晶体交叉波导非线性腔实现的逻辑功能真值表。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照图1，光子晶体记忆式全光或与逻辑门包括光子晶体结构，光子晶体结构由两个输入端，一个输出端和一个闲置端口组成,光子晶体结构的第一输入端、第二输入端分别与信号A、信号B连接，即：信号A连接二维光子晶体交叉波导非线性腔的第一输入端1，信号B连接二维光子晶体交叉波导非线性腔的第二输入端2；光子晶体结构为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，圆形高折射率线性介质杆5采用硅(Si)材料，折射率为3.4，二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质杆与一根正方形非线性介质杆在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，第一长方形高折射率线性介质杆6，折射率为3.4，第一长方形高折射率线性介质杆6的尺寸与第二长方形高折射率线性介质杆7的尺寸一致，中心正方形非线性介质杆8与相邻的四根长方形线性介质杆相贴，距离为0，该中心正方形非线性介质杆8为克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9，高折射率线性介质杆的介电常数与非线性介质杆弱光条件下的介电常数相等；高折射率线性介质杆由二维光子晶体“十”字交叉波导四端口网络构成，通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在交叉波导的中部设置有中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料；准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。二维光子晶体阵列晶格常数为d，阵列数为11×11。

本发明基于二维光子晶体交叉波导非线性腔所具有的光子带隙特性、准一维光子晶体缺陷态、隧穿效应和光克尔非线性效应，实现光子晶体记忆式全光或与逻辑功能。首先介绍一下本发明中光子晶体非线性腔的基本原理：二维光子晶体提供一个具有一定带宽的光子带隙，波长落在该带隙内的光波可在光子晶体内所设计好的光路中传播，因此将器件的工作波长设置为光子带隙中的某一波长；交叉波导中心所设置的准一维光子晶体结构结合中心非线性介质杆的非线性效应提供了一个缺陷态模式，当输入光波满足一定光强时，使得该缺陷态模式偏移至系统的工作频率，结构产生隧穿效应，信号从输出端4输出。

如图1所示二维光子晶体交叉波导非线性腔的两个输入端中，只有其中一个输入端有光波输入时，光波到达光子晶体交叉波导中心后，由于单一光波的光强不足以满足中心非线性腔的缺陷态模式偏移，因而光波不能在腔内引起谐振，进而不能产生隧穿效应，光波沿路由输入端输出；当两个输入端同时有光波输入时，光波到达光子晶体交叉波导中心后，两光波的光强满足腔内的缺陷态模式偏移量，光波在腔内引起谐振，进而产生隧穿效应，垂直方向的输入光波得以在系统输出端输出；此时，若关闭图1所示水平方向的输入光波，由于该时刻中心非线性腔已处于谐振状态，垂直方向的输入光波足以维持腔内的谐振，因此垂直方向的光波仍然可以从输出端输出，即本发明所既有记忆功能。

由上述二维光子晶体交叉波导非线性腔的特性，本发明器件可实现记忆式全光或与逻辑门。

本发明器件的光子晶体结构可以采用(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。下面结合附图给出两个实施例，在实施例中采用11×11阵列结构，晶格常数d分别以1μm及0.5208μm为例给出设计和模拟结果。

实施例1

晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm，圆形高折射率线性介质杆5的半径为0.18μm；第一长方形高折射率线性介质杆6的长边为0.613μm，短边为0.162μm；第二长方形高折射率线性介质杆7的尺寸与第一长方形高折射率线性介质杆6的尺寸一致；中心正方形非线性介质杆8边长为1.5μm，三阶非线性系数为1.33*10^-2μm²/V²；两两相邻的长方形线性介质杆相距0.2668μm。

参照图1所示的二维光子晶体交叉波导非线性腔，第一输入端1输入信号A，第二输入端2输入信号B。如图2所示，本发明的二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑输出波形图，当输入端1与2分别输入如图2所示波形信号可得出该图下方的逻辑输出波形。

根据图2所示的逻辑运算特性可得出图4所示该结构的逻辑运算真值表。图4中C为现态Qⁿ，Y为输出端的信号输出，即次态Qⁿ⁺¹。根据该真值表可得出结构的逻辑表达式：

Y＝AB+BC   (1)即

Qⁿ⁺¹＝B(A+Qⁿ)   (2) 

由上式可知，当第一输入端1与第二输入端2分别输入信号A与信号B时，系统的输出等于信号A与现态Qⁿ的“或”运算，再与信号B做“与”运算。可见，系统的输出不仅与信号A和信号B的逻辑输入量有关，而且与系统在上一时刻的输出Qⁿ有关。

由式子(2)可得到，当A＝1时，系统输出4为

Qⁿ⁺¹＝B   (3)

即系统的次态等于信号B的逻辑输入量。

当A＝0时，系统输出为

Qⁿ⁺¹＝B Qⁿ   (4) 

此时，系统的次态等于信号B的逻辑输入量与上一时刻系统的输出，即现态Qⁿ的输出量做“与”逻辑运算。即系统具有记忆功能，当上一时刻系统现态Qⁿ输出量为0时，无论信号B的输入量为置1或置0信号，系统输出为0；当上一时刻系统现态Qⁿ输出量为1时，系统输出才等于信号B的逻辑输入量。

综上所述，本发明可实现记忆式全光或与逻辑功能。

实施例2

晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm，圆形高折射率线性介质杆5的半径为0.093744μm；第一长方形高折射率线性介质杆6的长边为0.3192504μm，短边为0.0843696μm；第二长方形高折射率线性介质杆7的尺寸与第一长方形高折射率线性介质杆6的尺寸一致；中心正方形非线性介质杆8的边长为0.7812μm，三阶非线 性系数为1.33*10^-2μm²/V²；两相邻的长方形线性介质杆相距0.13894944μm。

在上述尺寸参数下，当第一输入端1与第二输入端2分别如图3所示波形的信号A与信号B，可得出该图下方的输出波形图。由图3所示的输入与输出的逻辑关系可知，本发明通过尺寸缩放后，同样可实现实施例1中式子(2)所示的记忆式全光或与逻辑门功能。

根据上述两个实施例，本发明器件通过缩放，可在不同晶格常数及相应工作波长下实现相同的逻辑功能。

综上所述，本发明器件可实现记忆式全光或与逻辑功能。

以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (9)

1.一种光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：其包括光子晶体结构，所述光子晶体结构由两个输入端，一个输出端和一个闲置端口组成；该光子晶体结构的第一输入端、第二输入端分别与信号A、信号B连接。

2.按照权利要求1所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述的光子晶体结构单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，该二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质杆与一根正方形非线性介质杆在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，中心正方形非线性介质杆与相邻的四根长方形线性介质杆相贴，该中心正方形非线性介质杆为克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9，所述高折射率线性介质杆的介电常数与非线性介质杆弱光条件下的介电常数相等。

3.按照权利要求2所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述的高折射率线性介质杆由二维光子晶体“十”字交叉波导四端口网络构成，通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在所述交叉波导的中部设置有中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料；所述准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。

4.按照权利要求1所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述光子晶体为(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。

5.按照权利要求2所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述二维光子晶体的高折射率线性介质杆的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者多边形。

6.按照权利要求3所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为3.4或者大于2的值。

7.按照权利要求3所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述中间介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形。

8.按照权利要求3所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为矩形、多边形、圆形或者椭圆形。

9.按照权利要求1所述的光子晶体记忆式全光或与逻辑门，其特征在于：所述二维光子晶体的背景填充材料包括空气和折射率小于1.4的低折射率介质。