專利名稱：二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于全光邏輯基本模塊、大規(guī) 模光集成模塊、光通信系統(tǒng)、光計算機可對光信號進行邏輯控制的二維光子晶體可控式
“與/或”邏輯門。
背景技術(shù)：
全光邏輯器件是直接利用光子來實現(xiàn)“與”、“或”、“非”等邏輯功能的器 件，被認(rèn)為是下一代光計算機的核心器件，是實現(xiàn)大規(guī)模全光集成的基礎(chǔ)器件，也是全 光通信中的重要器件。目前已提出的光學(xué)邏輯門器件大都需要電光控制，或邏輯功能單 一，或利用干涉儀，如馬赫-澤德干涉儀(專利號200620115693.X)、薩格納克干涉儀等 系統(tǒng)(專利號200810044878.X)等搭建而成，構(gòu)造復(fù)雜，體積龐大，不利于大規(guī)模全光集 成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在的不足，提供一種可用全光信號進行邏輯控制的 二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，由于二維光子晶體本身的結(jié)構(gòu)及工藝特點， 可使功能模塊能集成于同一塊芯片上，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，速度快，制備工藝簡單 的優(yōu)勢，并可應(yīng)用于大規(guī)模全光集成中，以解決目前光學(xué)邏輯門器件構(gòu)造復(fù)雜，體積龐 大，不利于大規(guī)模全光集成等問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種二維光子晶體可控式“與/ 或”邏輯門，其包含四路輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)，其中一個輸入波導(dǎo)輸入控制信號， 一個輸入波導(dǎo)為空閑波導(dǎo)，另外兩個輸入波導(dǎo)為信號輸入波導(dǎo)；所述邏輯門以線缺陷波 導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中心軸線呈鏡像對稱分布；所述邏輯門的每兩個輸入波導(dǎo)相交處對稱中心位置設(shè) 有一非線性介質(zhì)桿作為耦合調(diào)制區(qū)，調(diào)制通向下一級輸出波導(dǎo)的信號功率；所述邏輯門 的輸出波導(dǎo)距耦合調(diào)制區(qū)第三個介質(zhì)桿位置有一非線性介質(zhì)桿；選擇輸入波導(dǎo)中的任意 一路作為控制信號波導(dǎo)，任意一路空置，則當(dāng)該控制信號波導(dǎo)輸入邏輯信號為“0”時， 剩余波導(dǎo)可實現(xiàn)邏輯“與”門；當(dāng)控制信號端波導(dǎo)輸入邏輯信號為“1”時，剩余波導(dǎo) 可實現(xiàn)邏輯“或”門。在本發(fā)明中，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為含有線缺陷的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，所述線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)為直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)相連構(gòu)成，所述彎折波 導(dǎo)為90度彎折波導(dǎo)或60度彎折波導(dǎo)。在本發(fā)明中，所述二維光子晶體為半導(dǎo)體或有機光電材料，在所述半導(dǎo)體或有 機光電材料的基片上刻蝕出周期性排列的非線性介質(zhì)桿構(gòu)成所述二維光子晶體。在本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體或有機光電材料為硅、二氧化硅、砷化鎵、氧化鉬、 二氧化鈦、或其他光子晶體適用材料。在本發(fā)明中，所述非線性介質(zhì)桿的橫截面為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形，所述二維光子晶體的晶格排布為三角晶格、四方晶格或蜂窩結(jié)構(gòu)晶格。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明選擇輸入波導(dǎo)中的任意一路作為控制信號波導(dǎo)，任意 一路空置，則當(dāng)該控制信號波導(dǎo)輸入邏輯信號為“0”時，剩余波導(dǎo)可實現(xiàn)邏輯“與” 門；當(dāng)控制信號端波導(dǎo)輸入邏輯信號為“1”時，剩余波導(dǎo)可實現(xiàn)邏輯“或”門，本 發(fā)明二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門可以在同一塊芯片相同輸出輸入通道上實現(xiàn)
“與”、“或”邏輯功能的控制與轉(zhuǎn)換，響應(yīng)時間達到皮秒量級。此外，由于二維光子 晶體本身的結(jié)構(gòu)及工藝特點，本發(fā)明的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門具有體積 小，結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝簡單的優(yōu)勢，并可使不同功能模塊能集成于同一塊芯片上，適 合大規(guī)模全光集成。


圖1為本發(fā)明二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門的截面圖；其中，空白部分 為低折射率介質(zhì)，“ ” 10為二維光子晶體介質(zhì)桿，“ @”6、7、8、9為非線性介質(zhì)桿， 標(biāo)號1、2、3、4為輸入波導(dǎo)，標(biāo)號5為輸出波導(dǎo)。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步闡述。如圖1所示，本發(fā)明二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門結(jié)構(gòu)包括四路輸入 波導(dǎo)1，輸入波導(dǎo)2，輸入波導(dǎo)3，輸入波導(dǎo)4和一路輸出波導(dǎo)5。輸入波導(dǎo)1、輸入波 導(dǎo)2、輸入波導(dǎo)3、輸入波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)5均通過去除二維光子晶體中某些排的二維光 子晶體介質(zhì)桿10構(gòu)成，整體關(guān)于該線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中心軸線呈鏡像對稱分布。輸入波導(dǎo) 1和輸入波導(dǎo)2相交處設(shè)有非線性介質(zhì)桿6作為耦合區(qū)，輸入波導(dǎo)3和輸入波導(dǎo)4相交處 設(shè)有非線性介質(zhì)桿7作為耦合區(qū)，然后輸入波導(dǎo)1、2與輸入波導(dǎo)3、4的相交處設(shè)有非線 性介質(zhì)桿8作為耦合區(qū)，調(diào)制通向下一級輸出波導(dǎo)5的信號功率。輸出波導(dǎo)5內(nèi)靠近非 線性介質(zhì)桿8附近還可增置一高折射率的介質(zhì)引導(dǎo)桿9，增強輸出功率。該線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)可看作直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)相連構(gòu)成，其中，彎折波導(dǎo)為90° 彎折波導(dǎo)或60°彎折波導(dǎo)。該輸入波導(dǎo)1、2、3、4和輸出波導(dǎo)5均為含有線缺陷的二維 光子晶體結(jié)構(gòu)；在較佳運行性能和較小體積下，相鄰輸入波導(dǎo)之間相距五二維光子晶體 介質(zhì)桿10。實施本發(fā)明二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門的參數(shù)如下線性高折射率 的二維光子晶體介質(zhì)桿10選為硅(Si)材料，其折射率為3.4 ；周圍低折射率介質(zhì)選為空 氣，其折射率為1，晶格常數(shù)選為ι μ m，高折射率線性的二維光子晶體介質(zhì)桿10的半徑 選為0.18 μ m，輸入信號工作波長為2.9762 μ m。非線性介質(zhì)桿6、7的半徑為0.36 μ m， 非線性介質(zhì)桿8的半徑為0.45 μ m，非線性介質(zhì)桿9的半徑為0.275 μ m，其頻率無窮大 處的相對介電常數(shù)為3.15，二階歸一化非線性系數(shù)為0.001，三階歸一化非線性系數(shù)為 0.314。在本實施例中，Ph = 0.4，Pl = 0.2, Ptl為參考功率值。當(dāng)輸出功率Ptl大于Ph 時輸出為邏輯1，當(dāng)輸出功率Ptl小于&時輸出為邏輯0。選擇輸入波導(dǎo)1為控制波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)4空置。(1)當(dāng)輸入波導(dǎo)1以功率Ptl輸入時(即控制端信號邏輯狀態(tài)為1)，輸入波導(dǎo)2、3與輸出波導(dǎo)5的功率狀態(tài)實現(xiàn)“與”邏輯關(guān)系，如表1所示。在這種控制信號下，本 發(fā)明的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門實現(xiàn)“與”邏輯。(2)當(dāng)輸入波導(dǎo)1以功率0輸入時(即控制端信號邏輯狀態(tài)為0)，輸入波導(dǎo)2、
3與輸出波導(dǎo)5的功率狀態(tài)實現(xiàn)“或”邏輯關(guān)系，如表1所示。在這種控制信號下，本 發(fā)明的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門實現(xiàn)“或”邏輯。表1: 二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門輸入輸出特性
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于其包含四路輸入波導(dǎo) 和一個輸出波導(dǎo)，其中一個輸入波導(dǎo)輸入控制信號，一個輸入波導(dǎo)為空閑波導(dǎo)，另外兩 個輸入波導(dǎo)為信號輸入波導(dǎo)；所述邏輯門以線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中心軸線呈鏡像對稱分布； 所述邏輯門的每兩個輸入波導(dǎo)相交處對稱中心位置設(shè)有一非線性介質(zhì)桿作為耦合調(diào)制 區(qū)，調(diào)制通向下一級輸出波導(dǎo)的信號功率；所述邏輯門的輸出波導(dǎo)距耦合調(diào)制區(qū)第三個 介質(zhì)桿位置有一非線性介質(zhì)桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為含有線缺陷的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)為直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)相連構(gòu)成，所述彎折波導(dǎo)為90度彎折波導(dǎo)或60度 彎折波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述二維光子晶體為半導(dǎo)體或有機光電材料，在所述半導(dǎo)體或有機光電材料的基片上刻蝕 出周期性排列的非線性介質(zhì)桿構(gòu)成所述二維光子晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述半導(dǎo)體為硅、二氧化硅、砷化鎵、氧化鉬、或二氧化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述有機光電材料為硅、二氧化硅、砷化鎵、氧化鉬、或二氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述非線性介質(zhì)桿的橫截面為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其特征在于所 述二維光子晶體的晶格排布為三角晶格、四方晶格或蜂窩結(jié)構(gòu)晶格。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二維光子晶體可控式“與/或”邏輯門，其包含四路輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)，其中一個輸入波導(dǎo)輸入控制信號，一個輸入波導(dǎo)為空閑波導(dǎo)，另外兩個輸入波導(dǎo)為信號輸入波導(dǎo)；該邏輯門以線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中心軸線呈鏡像對稱分布；該邏輯門的每兩個輸入波導(dǎo)相交處對稱中心位置設(shè)有一非線性介質(zhì)桿作為耦合調(diào)制區(qū)，調(diào)制通向下一級輸出波導(dǎo)的信號功率；該邏輯門的輸出波導(dǎo)距耦合調(diào)制區(qū)第三個介質(zhì)桿位置有一非線性介質(zhì)桿；該可控式與/或邏輯門可用全光信號對光信號進行邏輯控制，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快的特點，此外，還可使不同功能全光模塊制作于同一種芯片上適用于大規(guī)模光電集成。
文檔編號G02F3/00GK102012600SQ20101010526
公開日2011年4月13日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者劉遠(yuǎn)常, 歐陽征標(biāo), 許桂雯 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)