光子晶體全光自或變換邏輯門的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子晶體全光自或變換邏輯門，它由一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)參考光源、一個(gè)延遲器或存儲(chǔ)器和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；延遲器的輸入端與邏輯信號(hào)X連接，其輸出端與光開關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；參考光源輸出的參考光E與光開關(guān)單元的參考光輸入端連接；光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸入端連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端和D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；光子晶體結(jié)構(gòu)單元的輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接。本發(fā)明不僅具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、而且易于與其它光學(xué)邏輯元件集成。
【專利說(shuō)明】光子晶體全光自或變換邏輯門

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二維光子晶體、光學(xué)或邏輯門

【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射和Princeton大學(xué)的S.John在討論光子區(qū)域各自獨(dú)立地提出了光子晶體(PhotonicCrystal)的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。
[0003]隨著光子晶體的提出和深入研宄，人們可以更靈活、更有效地控制光子在光子晶體材料中的運(yùn)動(dòng)。在與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)相結(jié)合下，人們通過(guò)設(shè)計(jì)與制造光子晶體及其器件不斷的往全光處理飛速邁進(jìn)，光子晶體成為了光子集成的突破口。1999年12月，美國(guó)權(quán)威雜志《科學(xué)》將光子晶體評(píng)為1999年十大科學(xué)進(jìn)展之一，也成為了當(dāng)今科學(xué)研宄領(lǐng)域的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。
[0004]全光邏輯器件主要包括基于光放大器的邏輯器件、非線性環(huán)形鏡邏輯器件、薩格納克干涉式邏輯器件、環(huán)形腔邏輯器件、多模干涉邏輯器件、耦合光波導(dǎo)邏輯器件、光致異構(gòu)邏輯器件、偏振開關(guān)光邏輯器件、傳輸光柵光邏輯器件等。這些光邏輯器件對(duì)于發(fā)展大規(guī)模集成光路來(lái)說(shuō)都有體積大的共同缺點(diǎn)。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的提高，人們還發(fā)展研宄出了量子光邏輯器件、納米材料光邏輯器件和光子晶體光邏輯器件，這些邏輯器件都符合大規(guī)模光子集成光路的尺寸要求，但對(duì)于現(xiàn)代的制作工藝來(lái)說(shuō)，量子光邏輯器件與納米材料光邏輯器件在制作上存在很大的困難，而光子晶體光邏輯器件則在制作工藝上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
[0005]近年來(lái)，光子晶體邏輯器件是一個(gè)備受矚目的研宄熱點(diǎn)，它極有可能在不久將來(lái)取代目前正廣泛使用的電子邏輯器件。光子晶體邏輯器件可直接進(jìn)行全光的“與”、“或”、“非”等邏輯功能，是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的核心器件，在全光計(jì)算的進(jìn)程中，基于“與”、“或”、“非”、“異或”等光子晶體邏輯功能器件已經(jīng)被成功設(shè)計(jì)研宄，而實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的目標(biāo)仍需要各種各樣復(fù)雜的邏輯元器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，且易與其它光學(xué)邏輯元件實(shí)現(xiàn)集成的光子晶體全光自或變換邏輯門。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)下列技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的光子晶體全光自或變換邏輯門由一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)參考光源、一個(gè)延遲器或存儲(chǔ)器和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；所述延遲器的輸入端與邏輯信號(hào)X連接，其輸出端與光開關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；所述參考光源輸出的參考光E與光開關(guān)單元的參考光輸入端連接；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸入端連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端和D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接。
[0009]所述的光開關(guān)單元為2X2光選通開關(guān)，它由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、邏輯信號(hào)輸入端、參考光輸入端、兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；所述兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。
[0010]所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，它由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端、下端、上端、右端分別為第一中間信號(hào)輸入端、第二中間信號(hào)輸入端、信號(hào)輸出端、閑置端；通過(guò)交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，該中間介質(zhì)柱為非線性材料，所述中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中間介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
[0011]所述的延遲器或延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述延遲器的輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在T/2步延遲，T為一個(gè)時(shí)鐘周期。
[0012]所述的延遲器或存儲(chǔ)器為T/2延遲的延遲器或存儲(chǔ)器。
[0013]所述的D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)D信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；所述D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號(hào)相等。
[0014]所述的二維光子晶體為(2k+l) X (2k+l)結(jié)構(gòu)，其中k為大于等于3的整數(shù)。
[0015]所述二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
[0016]所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)。
[0017]所述交叉波導(dǎo)中的準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的折射率為3.4或者大于2的值，且所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的積極有益效果是:
[0019]1.結(jié)構(gòu)緊湊，易于制作；
[0020]2.抗干擾能力強(qiáng)，易于與其它光學(xué)邏輯元件集成；
[0021]3.具有高、低邏輯輸出對(duì)比度高，運(yùn)算速度快。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的光子晶體全光自或變換邏輯門結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2為圖1所示光子晶體結(jié)構(gòu)單元在晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長(zhǎng)為2.976 μ m情況下實(shí)現(xiàn)的基本邏輯功能波形圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的光子晶體全光自或變換邏輯門在晶格常數(shù)d= I μπι，工作波長(zhǎng)為2.976 μm的邏輯信號(hào)自或變換的邏輯功能波形圖。
[0025]圖4為圖1所示二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔的邏輯功能真值表。
[0026]圖中:光開關(guān)單元01邏輯信號(hào)輸入端11參考光輸入端12第一中間信號(hào)輸出端13第二中間信號(hào)輸出端14光子晶體結(jié)構(gòu)單元02第一中間信號(hào)輸入端21第二中間信號(hào)輸入端22閑置端口 23信號(hào)輸出端24圓形高折射率線性介質(zhì)桿25第一長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿26第二長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿27中心非線性介質(zhì)桿28參考光源03參考光E延遲器或存儲(chǔ)器04邏輯信號(hào)X時(shí)鐘控制信號(hào)CP D觸發(fā)器單元05時(shí)鐘信號(hào)輸入端51D信號(hào)輸入端52系統(tǒng)輸出端53

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的光子晶體全光自或變換邏輯門由一個(gè)光開關(guān)單元01、一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元02、一個(gè)參考光源03、一個(gè)延遲器或存儲(chǔ)器04和一個(gè)D觸發(fā)器單元05組成；光開關(guān)單元01為一個(gè)由時(shí)鐘信號(hào)CP控制的2X2光選通開關(guān)，用于控制選擇邏輯信號(hào)進(jìn)行輸出，以作為下一級(jí)光子晶體結(jié)構(gòu)單元的輸入；光開關(guān)單元01由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、邏輯信號(hào)輸入端、參考光輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成，兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。延遲器或延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成，延遲器或存儲(chǔ)器為T/2延遲的延遲器或存儲(chǔ)器；邏輯信號(hào)X由延遲器04的輸入端輸入，延遲器的輸出端輸出T/2延遲的延遲信號(hào)X(t-T/2)，并與光開關(guān)單元01的邏輯信號(hào)輸入端11相連接；延遲器或存儲(chǔ)器設(shè)置在系統(tǒng)的輸入端與光開關(guān)單元之間，延遲器用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行延遲，其輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)存在T/2的延遲，T為一個(gè)時(shí)鐘周期；參考光源03輸出參考光E，E = I，并投射到光選通開關(guān)的參考光輸入端12 ;光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21連接光選通開關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端13，其第二中間信號(hào)輸入端22連接光選通開關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端14 ;D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)D信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端輸入，其一端連接光選通開關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端，另一端連接D觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號(hào)輸入端51 ;光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的信號(hào)輸出端24與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端52連接，即D觸發(fā)器單元05的D信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)52等于光子晶體結(jié)構(gòu)單元02輸出端24的輸出信號(hào)；D觸發(fā)器單元05的輸出端53即為本發(fā)明的光子晶體全光自或變換邏輯門的系統(tǒng)輸出端。光子晶體結(jié)構(gòu)單元02為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，其設(shè)置在所述光開關(guān)單元的后端，二維光子晶體的背景填充材料為空氣，也可以采用折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)，二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形，也可以采用橢圓形、三角形或者多邊形，二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，該四端口網(wǎng)絡(luò)具有一種四端口的光子晶體結(jié)構(gòu)，左端為第一中間信號(hào)輸入端、下端為第二中間信號(hào)輸入端、上端為信號(hào)輸出端、右端為閑置端；通過(guò)交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)，所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面為矩形，也可以采用多邊形、圓形或者橢圓形，其折射率為3.4，也可以為大于2的值，在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，中間介質(zhì)柱為非線性材料，該中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形，也可以多邊形、圓形或者橢圓形，準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中央介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。二維光子晶體陣列晶格常數(shù)為山陣列數(shù)為11X11 ;圓形高折射率線性介質(zhì)桿25采用硅(Si)材料，折射率為3.4，半徑為0.18d ;第一長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿26，折射率為3.4，長(zhǎng)邊為0.613d，短邊為0.162d ;第二長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿27，其介電常數(shù)與非線性介質(zhì)桿弱光條件下的介電常數(shù)一致，第二長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿27的尺寸與第一長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿26的尺寸相等；中心正方形非線性介質(zhì)桿28為克爾型非線性材料，邊長(zhǎng)為1.5d，弱光條件下的介電常數(shù)為7.9，三階非線性系數(shù)為1.33*1(T2 ym2/V2。二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔中心由十二根長(zhǎng)方形高線性介質(zhì)桿與一根正方形非線性介質(zhì)桿在縱、橫兩個(gè)波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，中心非線性介質(zhì)桿與相鄰的四根長(zhǎng)方形線性介質(zhì)桿相貼，距離為O，而兩兩相鄰的長(zhǎng)方形線性介質(zhì)桿相距0.2668d，緊貼中心非線性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等。
[0028]本發(fā)明基于圖1中光子晶體結(jié)構(gòu)單元02所示二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔所具有的光子帶隙特性、準(zhǔn)一維光子晶體缺陷態(tài)、隧穿效應(yīng)及光克爾非線性效應(yīng)，通過(guò)光開關(guān)等單元器件的配合，可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號(hào)的自或變換邏輯門和多步延遲自或變換邏輯門功能。首先介紹本發(fā)明中光子晶體非線性腔的基本原理:二維光子晶體提供一個(gè)具有一定帶寬的光子帶隙，波長(zhǎng)落在該帶隙內(nèi)的光波可在光子晶體內(nèi)所設(shè)計(jì)好的光路中傳播，因此將器件的工作波長(zhǎng)設(shè)置為光子帶隙中的某一波長(zhǎng)；交叉波導(dǎo)中心所設(shè)置的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合中心非線性介質(zhì)桿的非線性效應(yīng)提供了一個(gè)缺陷態(tài)模式，當(dāng)輸入光波滿足一定光強(qiáng)時(shí)，使得該缺陷態(tài)模式偏移至系統(tǒng)的工作頻率，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，信號(hào)從輸出端24輸出。
[0029]當(dāng)晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長(zhǎng)為2.976 μ m，參照?qǐng)D1中02所示的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，以第一中間輸入端21與第二中間信號(hào)輸入端22為信號(hào)輸入端，端口 21輸入信號(hào)A，端口 22輸入信輸入信號(hào)B。如圖2所示本發(fā)明的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔的邏輯輸出波形圖，當(dāng)端口 21與端口 22分別輸入如圖2所示的波形信號(hào)可得出該圖下方的邏輯輸出波形。根據(jù)圖2所示的邏輯運(yùn)算特性可得出圖4所示該結(jié)構(gòu)的邏輯運(yùn)算真值表。圖4中C為現(xiàn)態(tài)Qn，Y為輸出端24的信號(hào)輸出，即次態(tài)Qn+1。根據(jù)該真值表可得結(jié)構(gòu)的邏輯表達(dá)式:
[0030]Y = AB+BC (I)
[0031]即
[0032]Qn+1=AB+BQn (2)
[0033]根據(jù)上述二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔自身的基本邏輯運(yùn)算特性，以上一級(jí)的邏輯輸出作為邏輯輸入以實(shí)現(xiàn)既定的邏輯功能。
[0034]如圖1所示，當(dāng)CP = O時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號(hào)輸入端11的T/2延遲的輸入信號(hào)X(t-T/2)由光選通開關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端14輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間信號(hào)輸入端22，因此，光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間信號(hào)輸入端22的輸入信號(hào)等于輸入端11的輸入信號(hào)X(t-T/2);同時(shí)，光選通開關(guān)選通參考光輸入端12的參考光E由光開關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端13輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21，因此，光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21的輸入信號(hào)等于參考光輸入端12的參考光E。
[0035]當(dāng)CP = I時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號(hào)輸入端11的輸入信號(hào)X(t-T/2+l)由光選通開關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端13輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21，因此，光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21的輸入信號(hào)等于邏輯信號(hào)輸入端11的輸入信號(hào)X(t-T/2+l);同時(shí)，光選通開關(guān)選通參考光輸入端12的參考光E由光選通開關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端14輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間輸入端口 22，因此，光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間輸入端口 22的輸入信號(hào)等于參考光輸入端12的參考光E。
[0036]本發(fā)明器件的光子晶體結(jié)構(gòu)可以采用(2k+l) X (2k+l)的陣列結(jié)構(gòu)，k為大于等于3的整數(shù)。下面結(jié)合附圖給出的實(shí)施例，在實(shí)施例中以IlX 11陣列結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)d = Iym為例給出設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果。
[0037]在式⑵中令A(yù)= I有
[0038]Qn+1= B (3)
[0039]在式⑵中令B = I有
[0040]Qn+1=A+Qn (4)
[0041]可見(jiàn)，在tn時(shí)刻將信號(hào)X輸入到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間信號(hào)輸入端22，即B = X(tn);同時(shí)，令21端口的輸入信號(hào)A= 1，則、時(shí)刻的邏輯輸入信號(hào)X(tn)將被存儲(chǔ)在光路中；然后，在tn+1時(shí)刻，將信號(hào)X(tn+1)輸入到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21，即此時(shí)第一中間信號(hào)輸入端21的邏輯輸入信號(hào)A = X(tn+1)，同時(shí)令第二中間信號(hào)輸入端22的邏輯輸入信號(hào)B = 1，由式(2)可得出
[0042]Qn+1= X(tn+1)+X(tn) (5)
[0043]為此，需要在系統(tǒng)中引入一個(gè)CP控制信號(hào)、一個(gè)光開關(guān)和一個(gè)參考光源，當(dāng)CP =O時(shí)，光開關(guān)01將X信號(hào)投射到第二中間信號(hào)輸入端22，同時(shí)，將I信號(hào)投射到第一中間信號(hào)輸入端21 ；^CP = I時(shí)，光開關(guān)01將X信號(hào)投射到第一中間信號(hào)輸入端21，同時(shí)將I信號(hào)投射到第二中間信號(hào)輸入端22。由于邏輯信號(hào)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的輸入量是不變的，因此需要在系統(tǒng)信號(hào)輸入端引入一個(gè)T/2延遲的延遲器，以實(shí)現(xiàn)相鄰時(shí)鐘周期邏輯信號(hào)的或變換功能。
[0044]通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)CP控制使其工作如下:
[0045]在、時(shí)刻，令CP = 0，光選通開關(guān)接通邏輯信號(hào)輸入端11的信號(hào)X(tn_T/2)至第二中間信號(hào)輸出端14輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間信號(hào)輸入端22 ;同時(shí)，光選通開關(guān)接通參考光輸入端12的參考光E至第一中間信號(hào)輸出端口 13輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21，由式子(2)可得出此時(shí)端口 24的輸出為
[0046]Qn+1= X(t n-T/2) (6)在tn+1時(shí)刻，令CP = I，光選通開關(guān)接通邏輯信號(hào)輸入端11的信號(hào)X(tn+1_T/2)至第一中間信號(hào)輸出端13輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第一中間信號(hào)輸入端21 ;同時(shí)，光選通開關(guān)接通參考光輸入端12的參考光E至第二中間信號(hào)輸出端口 14輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的第二中間信號(hào)輸入端22，由式子(2)可得出此時(shí)端口 24的輸出為
[0047]Qn+1 = X (t n+1-T/2) +X (tn-T/2) = X (tn+1) +X (tn) (7)
[0048]光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的輸出，即端口 24的輸出等于D觸發(fā)器單元D信號(hào)輸入端52的輸入，由式子(6)與式子(7)可得出D信號(hào)輸入端52的輸入信號(hào)在CP = O時(shí)，D =X(tn-T/2) ;CP = I 時(shí)，D = X(tn+1)+X(tn).
[0049]由D觸發(fā)器的邏輯特性可知，CP = I時(shí)，系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號(hào)D ;CP = O時(shí)，系統(tǒng)輸出保持上一時(shí)刻的輸入信號(hào)D。由此可得出本發(fā)明器件的系統(tǒng)輸出端口 53的輸出在CP = I時(shí)，Qn+1= X(t n+1)+X(tn);在下一時(shí)刻CP = O時(shí)，系統(tǒng)輸出保持上一時(shí)刻的輸出，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的系統(tǒng)輸出為
[0050]Qn+1= X(tn+1)+X(tn) (8)
[0051 ] 可見(jiàn)，本發(fā)明器件可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號(hào)的自或變換邏輯功能。若將上述延遲器改為一個(gè)T/2步的存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)同樣功能。
[0052]當(dāng)器件工作波長(zhǎng)為2.976 μm，光子晶體結(jié)構(gòu)單元02的晶格常數(shù)d為I μπι ;圓形高折射率線性介質(zhì)桿25的半徑為0.18 μπι ;第一長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿26的長(zhǎng)邊為0.613 μ m，短邊為0.162 μ m ;第二長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿27的尺寸與第一長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)桿26的尺寸一致；中心正方形非線性介質(zhì)桿28的邊長(zhǎng)為1.5 μ m，三階非線性系數(shù)為1.33*10_2 ym2/V2;兩兩相鄰的長(zhǎng)方形線性介質(zhì)桿相距0.2668 μ mo在上述尺寸參數(shù)下，當(dāng)邏輯信號(hào)X(t-T/2)如圖3所示波形輸入，在時(shí)鐘信號(hào)CP控制下，可得出該圖下方的系統(tǒng)輸出波形圖?？梢?jiàn)，系統(tǒng)將邏輯輸入量X(tn+1)與上一時(shí)刻的邏輯輸入量X(tn)作或邏輯運(yùn)算。即實(shí)現(xiàn)了對(duì)邏輯信號(hào)的自或變換邏輯功能。
[0053]結(jié)合圖3，本發(fā)明器件通過(guò)縮放，可在不同晶格常數(shù)及相應(yīng)工作波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯功能。
[0054]綜上可知，將所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元與一個(gè)2X2光選通開關(guān)、一個(gè)延遲器或存儲(chǔ)器、一個(gè)參考光源和一個(gè)D觸發(fā)器配合可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號(hào)的自或變換邏輯功能。
[0055]在集成光路的邏輯信號(hào)處理中，可定義一種單一邏輯信號(hào)的自卷積運(yùn)算，而上述邏輯信號(hào)的自或邏輯運(yùn)算即為邏輯信號(hào)自卷積運(yùn)算的基本運(yùn)算。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的邏輯信號(hào)自或變換邏輯功能對(duì)邏輯變量的自相關(guān)變換或自卷積運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)起著重要應(yīng)用。
[0056]以上所述本發(fā)明在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明限制。
【權(quán)利要求】
1.一種光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:它由一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)參考光源、一個(gè)延遲器或存儲(chǔ)器和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；所述延遲器的輸入端與邏輯信號(hào)X連接，其輸出端與光開關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；所述參考光源輸出的參考光E與光開關(guān)單元的參考光輸入端連接；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸入端連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端和D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述的光開關(guān)單元為2X2光選通開關(guān)，它由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、邏輯信號(hào)輸入端、參考光輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；所述兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。
3.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，它由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端、下端、上端、右端分別為第一中間信號(hào)輸入端、第二中間信號(hào)輸入端、信號(hào)輸出端、閑置端；通過(guò)交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，該中間介質(zhì)柱為非線性材料，所述中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中間介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
4.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述的延遲器或延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述延遲器的輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在T/2步延遲，T為一個(gè)時(shí)鐘周期。
5.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述的延遲器或存儲(chǔ)器為T/2延遲的延遲器或存儲(chǔ)器。
6.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述的D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)D信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；所述D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端的輸入信號(hào)與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號(hào)相等。
7.按照權(quán)利要求3所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述的二維光子晶體為(2k+l) X (2k+l)結(jié)構(gòu)，其中k為大于等于3的整數(shù)。
8.按照權(quán)利要求3所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
9.按照權(quán)利要求3所述的光子晶體全光自或變換邏輯門和多步延遲自或變換邏輯門，其特征在于:所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)。
10.按照權(quán)利要求3所述的光子晶體全光自或變換邏輯門，其特征在于:所述交叉波導(dǎo)中的準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的折射率為3.4或者大于2的值，且所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK104483803SQ201410799695
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】歐陽(yáng)征標(biāo), 余銓強(qiáng) 申請(qǐng)人:歐陽(yáng)征標(biāo), 深圳大學(xué)