該中間介質(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。
[0032] 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)柱與一根正 方形非線性介質(zhì)柱在縱、橫兩個(gè)波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，正方形非線性介質(zhì)柱 13與相鄰的四根長(zhǎng)方形線性介質(zhì)柱相貼，距離為0,而兩兩相鄰的長(zhǎng)方形線性介質(zhì)柱相距 0. 2668d;非線性腔單元01的長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱11，折射率為3. 4,；非線性腔單 元01的長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱12,介電常數(shù)為7. 9,其介電常數(shù)與非線性介質(zhì)柱弱光 條件下的介電常數(shù)一致，非線性腔單元01的長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱12的尺寸與長(zhǎng)方 形高折射率線性介質(zhì)柱11的尺寸相同；非線性腔單元01的中心正方形非線性介質(zhì)柱13， 為克爾型非線性材料，弱光條件下的介電常數(shù)為7. 9 ;圓形高折射率線性介質(zhì)柱14采用硅 (Si)材料，折射率為3. 4。
[0033] 本發(fā)明基于圖2(b)所示光子晶體非線性腔單元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)，配合一個(gè)延時(shí)器單元03及圖2 (a)所示的 "十"字波導(dǎo)邏輯門單元所具有的邏輯運(yùn)算特性，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)時(shí)鐘發(fā)生器。
[0034] 首先介紹本發(fā)明中光子晶體非線性腔單元的基本原理：如圖2(b)所示，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)合正方形非線性介質(zhì)柱13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5輸出。
[0035] "十"字波導(dǎo)邏輯門單元02如圖2(a)所示，為一個(gè)"十"字波導(dǎo)光子晶體光學(xué)"或"、 "非"、"異或"邏輯門，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，通過設(shè)置不同的輸入或輸出端口，可分 別實(shí)現(xiàn)"非"、"異或"及"或"邏輯功能；"十"字波導(dǎo)邏輯門單元為一個(gè)四端口的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò) 的光子晶體結(jié)構(gòu)，四端口網(wǎng)絡(luò)的右端為參考光輸入端1、下端為信號(hào)光輸入端、上端為中間 信號(hào)輸出端7、左端為閑置端口；四端口網(wǎng)絡(luò)的交叉中心設(shè)有一根高折射率介質(zhì)柱，通過設(shè) 置不同的輸入端口，可進(jìn)行全光信號(hào)的"非"邏輯。如圖2(a)所示的二維光子晶體列陣晶 格常數(shù)為d，陣列數(shù)為11X11 十"字交叉波導(dǎo)中心附近設(shè)置了一根圓形介質(zhì)柱，設(shè)置"十" 字交叉波導(dǎo)對(duì)稱中心為原點(diǎn)（〇,〇)，則中心圓形介質(zhì)柱圓心位置為（_〇. 188*d，-0. 188*d)， 半徑為〇. 292*d。如圖2(a)所不，參考光輸入端1、信號(hào)光輸入端2、閑置端口 3、信號(hào)輸出 端7,以端口 1作為參考光輸入端，輸入?yún)⒖脊釫(E=P0)，端口 2作為信號(hào)光輸入端，端口 7作為信號(hào)輸出端，端口 3為閑置端口，則該單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的"非"邏輯運(yùn)算功能， 如圖5所示。
[0036] 可見，圖2(a)所示的"十"字波導(dǎo)邏輯門單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯輸入信號(hào)的"非"邏輯 運(yùn)算功能。
[0037] 如圖2(b)所示非線性腔單元，為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線性腔，根據(jù)其自 身的邏輯運(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；非線性腔 單元01由高折射率介質(zhì)柱構(gòu)成二維的光子晶體"十"字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，四端口網(wǎng)絡(luò) 的左端為參考光輸入端、下端為中間信號(hào)輸入端、上端為系統(tǒng)信號(hào)輸出端、右端為閑置端 口；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，中間介質(zhì)柱為非線性材料，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；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。圖中 所示的二維光子晶體列陣晶格常數(shù)為d，陣列數(shù)為11X11。
[0038] 當(dāng)晶格常數(shù)d= 1ym，工作波長(zhǎng)為2. 976ym，參照?qǐng)D2 (b)所示的二維光子晶體交 叉波導(dǎo)非線性腔單元，端口 4輸入信號(hào)A，端口 8輸入信號(hào)B。如圖3所示為本發(fā)明的二維 光子晶體非線性腔單元01的信號(hào)輸出端5輸出的邏輯輸出波形圖，參考光輸入端4、中間 信號(hào)輸入端8,當(dāng)端口 4與端口 8分別輸入如圖3所示的信號(hào)A與信號(hào)B波形信號(hào)，得到圖 3下方的邏輯輸出波形。根據(jù)圖3所示的邏輯運(yùn)算特性可得到圖6所示該結(jié)構(gòu)的邏輯運(yùn)算 真值表。圖6中C為現(xiàn)態(tài)Qn，Y為非線性腔單元01輸出端5的信號(hào)輸出，即次態(tài)Qn+1。根據(jù) 真值表可得到非線性腔單元01的邏輯表達(dá)式：
[0039] Y=AB+BC (1)
[0040] 即
[0041] Qn+1=AB+BQn (2)
[0042] 圖2(a)所示的"十"字波導(dǎo)邏輯門單元作為"非"邏輯門結(jié)構(gòu)與圖2(b)所示的非 線性腔單元進(jìn)行耦合連接時(shí)，圖2 (a)所示的"十"字波導(dǎo)"非"邏輯門的輸出端7 (中間信 號(hào)輸出端）與圖2(b)所示的非線性腔單元的輸入端8(中間信號(hào)輸入端）連接，即"非"邏 輯門的輸出信號(hào)作為非線性腔單元輸入端8的輸入信號(hào)，如圖1所示。
[0043] 圖1中，參考光輸入端1、參考光輸入端4、反饋信號(hào)輸入端2,當(dāng)端口 1與端口 4分 別輸入?yún)⒖脊釫l與E2(El=E2 = 1)，端口 2輸入信號(hào)SI，則根據(jù)圖1所示的"十"字波導(dǎo) 邏輯門單元02的"非"邏輯門的邏輯運(yùn)算特性和非線性腔單元01的邏輯表達(dá)式（2)，可得 到圖1所示結(jié)構(gòu)的輸出端5的輸出為：
[0044] Qn+1=Sl (3)
[0045] 其中，亙即為高對(duì)比度的"非"邏輯信號(hào)?？梢?，圖1所示結(jié)構(gòu)中，非線性腔單元01 與"十"字波導(dǎo)邏輯門單元02的組合可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的"非"邏輯運(yùn)算功能。
[0046] 此時(shí)，將輸出端5連接一個(gè)二分支波導(dǎo)，二分支波導(dǎo)一端作為系統(tǒng)輸出端口，另一 端作為反饋信號(hào)輸出端口連接至延時(shí)器單元03的輸入端，延時(shí)器單元03對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 時(shí)間延時(shí)并輸出至反饋信號(hào)輸入端2,即延時(shí)器單元03將該反饋信號(hào)進(jìn)行一定的延時(shí)后輸 出至反饋信號(hào)輸入端2。如圖1所示，延時(shí)器單元03以系統(tǒng)輸出端的輸出信號(hào)作為輸入信 號(hào)，通過設(shè)定延時(shí)器單元03的延時(shí)時(shí)間，使得反饋信號(hào)從輸出端5傳輸至反饋信號(hào)輸入端 2的總延時(shí)時(shí)間為I；，則系統(tǒng)輸出端5將產(chǎn)生一個(gè)周期為2*1；的時(shí)鐘信號(hào)輸出。
[0047] 可見，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全光學(xué)的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
[0048] 本發(fā)明器件的光子晶體結(jié)構(gòu)可以采用（2m+l)X(2n+l)的陣列結(jié)構(gòu)，m為大于等于 5的整數(shù)，n為大于等于8的整數(shù)。下面結(jié)合附圖給出各兩個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例中最好采用 11X17陣列結(jié)構(gòu)，二維光子晶體陣列的晶格常數(shù)d分別以1ym及0. 5208ym為例給出設(shè)計(jì) 和模擬結(jié)果。
[0049] 實(shí)施例1
[0050] 參照?qǐng)D1所示，晶格常數(shù)d= 1ym，工作波長(zhǎng)為2. 976ym，圓形高折射率線性介 質(zhì)柱14的半徑為0. 18ym;長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱11的長(zhǎng)邊為0. 613ym，短邊為 0. 162ym;長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱12的尺寸與長(zhǎng)方形高折射率線性介質(zhì)柱11的尺寸 一致；正方形非線性介質(zhì)柱13的邊長(zhǎng)為1. 5ym，三階非線性系數(shù)為1. 33*1(T2ym2/V2;兩 兩相鄰的長(zhǎng)方形線性介質(zhì)柱相距〇. 2668ym;圓形非線性介質(zhì)柱15半徑為0. 292ym。
[0051] 參照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)，端口