光子晶體全光與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與變換邏輯門，它由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元，一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；光開關(guān)單元的兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端與邏輯信號X1和邏輯信號X2連接；光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號CP與一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接，其三個(gè)輸出端與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號CP輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號輸入端與非邏輯門的輸入端連接；非邏輯門的輸出端與D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號輸入端連接；光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號輸入端連接。本發(fā)明易與其它光學(xué)邏輯元件進(jìn)行集成。
【專利說明】光子晶體全光與變換邏輯門

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

【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國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。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，美國權(quán)威雜志《科學(xué)》將光子晶體評為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。這些光邏輯器件對于發(fā)展大規(guī)模集成光路來說都有體積大的共同缺點(diǎn)。隨著近年來科學(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，但對于現(xiàn)代的制作工藝來說，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爭優(yōu)勢。
[0005]近年來，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。在實(shí)現(xiàn)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與變換邏輯門。
[0007]本發(fā)明的目的通過下列技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的光子晶體全光與變換邏輯門由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元，一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端分別與邏輯信號X1和邏輯信號X2連接；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號CP與一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接，其三個(gè)輸出端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號CP輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號輸入端與非邏輯門的輸入端連接；所述非邏輯門的輸出端與D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號輸入端連接。
[0009]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、右端分別為時(shí)鐘信號輸入端、中間信號輸入端、信號輸出端、閑置端；通過交叉波導(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。
[0010]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CP輸入端、兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端和兩個(gè)中間信號輸出端組成；所述的兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端分別為第一邏輯信號輸入端、第二邏輯信號輸入端；所述的兩個(gè)中間信號輸出端分別為第一中間信號輸出端、第二中間信號輸出端。
[0011]所述的D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號輸入端、一個(gè)D信號輸入端和一個(gè)系統(tǒng)信號輸出端組成；所述D信號輸入端的輸入信號與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號相等。
[0012]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的正整數(shù)。
[0013]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。
[0014]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)。
[0015]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。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的積極有益效果是:
[0017]1.結(jié)構(gòu)簡緊湊，易于制作；
[0018]2.抗干擾能力強(qiáng)，易與其它光學(xué)邏輯元件集成；
[0019]3.具有高、低邏輯輸出對比度高，響應(yīng)速度快。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的光子晶體全光與變換邏輯門的結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2為圖1所示的光子晶體結(jié)構(gòu)單元在晶格常數(shù)d = I μm，工作波長為2.976 μπι的基本邏輯功能波形圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的光子晶體全光與變換邏輯門在晶格常數(shù)d= I μπι，工作波長為2.976 μπι的兩個(gè)邏輯信號的與變換邏輯功能波形圖；
[0023]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。
[0024]圖中:光子晶體結(jié)構(gòu)單元01時(shí)鐘信號輸入端11中間信號輸入端12閑置端口 13信號輸出端14圓形高折射率線性介質(zhì)桿15第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16第二長方形高折射率線性介質(zhì)桿17中心非線性介質(zhì)桿18邏輯信號&邏輯信號X2光開關(guān)單元02第一邏輯信號輸入端21第二邏輯信號輸入端22第一中間信號輸出端23第二中間信號輸出端24吸波負(fù)載03時(shí)鐘控制信號CP非邏輯門04D觸發(fā)器單元05時(shí)鐘信號輸入端51D信號輸入端52系統(tǒng)信號輸出端53

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的光子晶體全光與變換邏輯門由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元01，一個(gè)光開關(guān)單元02、一個(gè)吸波負(fù)載03、一個(gè)非邏輯門04和一個(gè)D觸發(fā)器單元05組成；光子晶體結(jié)構(gòu)單元01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，所述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)，左端為時(shí)鐘信號輸入端、下端為中間信號輸入端、上端為信號輸出端、右端為閑置端；通過交叉波導(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)，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，也可以采用多邊形、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d，陣列數(shù)為11X11 ;圓形高折射率線性介質(zhì)桿15為硅(Si)材料，折射率為3.4，半徑為0.18d ;第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16，折射率為3.4，長邊為0.613d，短邊為0.162d ;第二長方形高折射率線性介質(zhì)桿17，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，第二長方形高折射率線性介質(zhì)桿17的尺寸與第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16的尺寸相等；中心正方形非線性介質(zhì)桿18為克爾型非線性材料，邊長為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*10_2 μπι2/ν2。二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔中心由十二根長方形高線性介質(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)桿與相鄰的四根長方形線性介質(zhì)桿相貼，距離為0，而兩兩相鄰的長方形線性介質(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；光開關(guān)單元02為一個(gè)由時(shí)鐘信號CP控制的2 X 2光選通開關(guān)，用于控制選擇邏輯信號進(jìn)行選擇輸出，光開關(guān)單元由一個(gè)時(shí)鐘信號CP輸入端、兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端和兩個(gè)中間信號輸出端組成，兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端分別為第一邏輯信號輸入端、第二邏輯信號輸入端，兩個(gè)中間信號輸出端分別為第一中間信號輸出端、第二中間信號輸出端，邏輯信號X1、邏輯信號X2分別與光開關(guān)單元02的第一邏輯信號輸入端21和第二邏輯信號輸入端22相連接；光開關(guān)單元02的第一中間信號輸出端23與光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12相連接、光開關(guān)單元02的第二中間信號輸出端24與吸波負(fù)載03相連接，吸波負(fù)載用于吸收進(jìn)入其內(nèi)的光波；D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號輸入端、一個(gè)D信號輸入端和一個(gè)系統(tǒng)信號輸出端組成；所述D信號輸入端的輸入信號與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號相等；時(shí)鐘控制信號CP通過一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端輸入，所述三分支波導(dǎo)的第一輸出端連接光開關(guān)單元02的時(shí)鐘信號CP輸入端、第二輸出端連接光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號輸入端11、第三輸出端連接非邏輯門04的輸入端；所述非邏輯門04的輸出端與D觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號CP輸入端51連接；非邏輯門設(shè)置在時(shí)鐘信號CP輸入端與D觸發(fā)器單元之間，用于對時(shí)鐘信號CP進(jìn)行非邏輯運(yùn)算，并投射至D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號輸入端；光子晶體結(jié)構(gòu)單元Ol的信號輸出端14與D觸發(fā)器單元05的D信號輸入端52相連接，即D觸發(fā)器單元的D信號輸入端等于光子晶體結(jié)構(gòu)單元的輸出端的輸出信號；系統(tǒng)信號輸出端53即為本發(fā)明的光子晶體全光與變換邏輯門系統(tǒng)輸出端。
[0027]本發(fā)明是基于圖1中01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)，通過光開關(guān)等單元器件的配合可實(shí)現(xiàn)與變換邏輯門功能。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設(shè)置為光子帶隙中的某一波長；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)，信號從輸出端14輸出。
[0028]當(dāng)晶格常數(shù)d = I μ m，工作波長為2.976 μ m，參照圖1中的01所示的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，時(shí)鐘信號輸入端11與中間信號輸入端12為信號輸入端，端口 11輸入信號A，端口 12輸入信號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 11與端口 12分別輸入如圖2所示的波形信號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為光子晶體結(jié)構(gòu)單元01輸出端14的信號輸出，即次態(tài)Qn+1。根據(jù)該真值表可得出結(jié)構(gòu)的邏輯表達(dá)式:
[0029]Y = AB+BC (I)
[0030]即
[0031]Qn+1=AB+BQn (2)
[0032]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，以上一級的邏輯輸出作為邏輯輸入以實(shí)現(xiàn)既定的邏輯功能。
[0033]如圖1所示，當(dāng)CP = I時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號X1輸入端21的邏輯信號X! (η)由光選通開關(guān)的第一中間信號輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12，即光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號輸入端的輸入信號等于邏輯信號X1 (η);同時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號輸入端22的邏輯信號X2 (η)由光選通開關(guān)的第二中間信號輸出端24輸出，并投射至吸波負(fù)載03。
[0034]當(dāng)CP = O時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號X2輸入端22的邏輯信號X 2 (η+1)由光選通開關(guān)的第一中間信號輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12，即光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號輸入端的輸入信號等于邏輯信號X2 (η+1);同時(shí)，光選通開關(guān)選通邏輯信號輸入端21的邏輯信號X1 (η+1)由光選通開關(guān)的第二中間信號輸出端24輸出，并投射至吸波負(fù)載03。
[0035]通過上述配合即可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號的與變換邏輯功能。
[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 = I μπι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A(yù) = O有
[0040]Qn+1= BQn (4)
[0041]可見，在tn時(shí)刻將信號X1輸入到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12，即B = X1;同時(shí)，令11端口的輸入信號A = 1，則tn時(shí)刻的邏輯輸入信號X1Un)將被存儲在光路中；然后，在tn+1時(shí)刻，令11端口的輸入信號A = 0，中間信號輸入端12的邏輯輸入信號為X2 (tn+1)，則有光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出信號為
[0042]Qn+1= XUX1Un) (5)
[0043]為此，需要在系統(tǒng)中引入一個(gè)時(shí)鐘控制信號CP，當(dāng)CP= I時(shí)，系統(tǒng)存儲該時(shí)刻的邏輯輸入信號X1 (η);當(dāng)CP = O時(shí)，系統(tǒng)將此時(shí)的邏輯輸入信號X2 (η+1)與上一時(shí)刻系統(tǒng)的存儲信號X1 (η)做與運(yùn)算。
[0044]通過時(shí)鐘信號CP控制使其工作如下:
[0045]在tn時(shí)刻，令CP = 1，光開關(guān)單元02接通邏輯信號X i輸入端21的信號X i (tn)至第一中間信號輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12;同時(shí)，光開關(guān)單元02接通邏輯信號X2輸入端22的信號X 2(tn)至第二中間信號輸出端24輸出，并投射到吸波負(fù)載03.光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號輸入端11的輸入信號與時(shí)鐘控制信號CP同步，即A = CP = 1，由式子⑵可得出此時(shí)端口 14的輸出為
[0046]Qn+1= X1Un) (6)
[0047]在tn+1時(shí)刻，令CP = 0，光開關(guān)單元02接通邏輯信號X i輸入端21的信號X i (tn+1)至第二中間信號輸出端24輸出，并投射到吸波負(fù)載03 ;同時(shí)，光開關(guān)單元02接通邏輯信號X2輸入端22的信號X2 (tn+1)至第一中間信號輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號輸入端12.光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號輸入端11的輸入信號與時(shí)鐘控制信號CP同步，即A = CP = 0，由式子(2)可得出此時(shí)端口 14的輸出為
[0048]Qn+1= XUX1Un) (7)
[0049]光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的輸出端口 14的輸出等于D觸發(fā)器單元05的D信號輸入端52的輸入，由式子(6)與式子(7)可得出D信號輸入端52的輸入信號在CP = I時(shí)D =X1 (tn) ;CP = O 時(shí)，D = X2 (tn+1) X1 (tn).
[0050]由于D觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號輸入端51與非邏輯門04的輸出連接，因此D觸發(fā)器單元05在CP = O時(shí)，系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號D ;CP = I時(shí)，系統(tǒng)輸出保持上一時(shí)刻的輸入信號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 = O時(shí)，Qn+1= X2(tn+1)X1 (tn);在下一時(shí)刻CP = I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
[0051]Qn+1= X2 (n+1) X1 (n) (8)
[0052]可見，本發(fā)明器件可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)邏輯信號的與變換邏輯功能。
[0053]當(dāng)器件工作波長為2.976 μm，光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的晶格常數(shù)d為I μπι ;圓形高折射率線性介質(zhì)桿15的半徑為0.18 μπι ;第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16的長邊為
0.613 μ m，短邊為0.162 μ m ;第二長方形高折射率線性介質(zhì)桿17的尺寸與第一長方形高折射率線性介質(zhì)桿16的尺寸一致；中心正方形非線性介質(zhì)桿18的邊長為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)信號X1與信號X 2如圖3所示波形輸入，在時(shí)鐘信號CP控制下，可得出該圖下方的系統(tǒng)輸出波形圖?？梢?，系統(tǒng)將此時(shí)的邏輯輸入量X2(η+1)與上一時(shí)刻的邏輯輸入量X1(H)作與邏輯運(yùn)算。即實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)邏輯信號的與變換邏輯功能。
[0054]結(jié)合圖3本發(fā)明器件通過縮放，可在不同晶格常數(shù)及相應(yīng)工作波長下實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯功能。
[0055]綜上所述，在光開關(guān)和吸波負(fù)載等單元器件的配合工作下，通過時(shí)鐘信號輸入端的時(shí)鐘信號CP控制即可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號的與變換邏輯門功能。
[0056]在集成光路的邏輯信號處理中，可定義一種不同邏輯信號的卷積運(yùn)算，而上述邏輯信號的與邏輯運(yùn)算即為邏輯信號卷積運(yùn)算的基本運(yùn)算。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的邏輯信號與變換邏輯功能對邏輯變量的相關(guān)變換或自卷積運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)有重要應(yīng)用。
[0057]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)理解為對本發(fā)明限制。
【權(quán)利要求】
1.一種光子晶體全光與變換邏輯門，其特征在于:它由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元，一個(gè)光開關(guān)單元、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端分別與邏輯信號Xi和邏輯信號X2連接；所述光開關(guān)單元的兩個(gè)中間信號輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號CP與一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接，其三個(gè)輸出端分別與光開關(guān)單元的時(shí)鐘信號CP輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號輸入端與非邏輯門的輸入端連接；所述非邏輯門的輸出端與D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號輸入端連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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、右端分別為時(shí)鐘信號輸入端、中間信號輸入端、信號輸出端、閑置端；通過交叉波導(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。
3.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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CP輸入端、兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端和兩個(gè)中間信號輸出端組成；所述的兩個(gè)系統(tǒng)信號輸入端分別為第一邏輯信號輸入端、第二邏輯信號輸入端；所述的兩個(gè)中間信號輸出端分別為第一中間信號輸出端、第二中間信號輸出端。
4.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光與變換邏輯門，其特征在于:所述的D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號輸入端、一個(gè)D信號輸入端和一個(gè)系統(tǒng)信號輸出端組成；所述D信號輸入端的輸入信號與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號相等。
5.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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的正整數(shù)。
6.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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。
7.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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)。
8.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光與變換邏輯門，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、橢圓形、三角形或者多邊形。
【文檔編號】G02F3/00GK104483804SQ201410799714
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】歐陽征標(biāo), 余銓強(qiáng) 申請人:歐陽征標(biāo), 深圳大學(xué)