環(huán)波導(dǎo)2-2的半徑，且第一半環(huán)波導(dǎo) 2- 1和第二半環(huán)波導(dǎo)2-2的環(huán)口正對(duì);S-BencM為中屯、對(duì)稱結(jié)構(gòu)；彎曲波導(dǎo)6作為第一禪合區(qū) 3- 1末端的延伸，輔助輸出波導(dǎo)7作為第二半環(huán)波導(dǎo)2-2末端的延伸;輔助直波導(dǎo)5的長(zhǎng)度根 據(jù)第一禪合區(qū)3-1和第二禪合區(qū)3-2的長(zhǎng)度、第一半環(huán)波導(dǎo)2-1和第二半環(huán)波導(dǎo)2-2的半徑進(jìn) 行設(shè)計(jì)。
[0025] 如圖2所示，所述第一偶合區(qū)3-1(稱為B禪合區(qū)）和第二偶合區(qū)3-2(稱為A禪合區(qū)） 的單模脊型波導(dǎo)中嵌入電學(xué)結(jié)構(gòu)，電學(xué)結(jié)構(gòu)為P-I-N結(jié)構(gòu)，在第一禪合區(qū)3-1和第二禪合區(qū) 3-2上方各設(shè)置有一個(gè)共面波導(dǎo)電極8,共面波導(dǎo)電極8與電學(xué)結(jié)構(gòu)形成電學(xué)接觸，通過(guò)共面 波導(dǎo)電極8向第一禪合區(qū)3-1和第二禪合區(qū)3-巧日載模擬電信號(hào);基于載流子色散效應(yīng)原理， 通過(guò)模擬電信號(hào)調(diào)制，可W改變禪合區(qū)中載流子濃度，引起禪合區(qū)折射率的變化（即引起禪 合器的禪合效率的變化），最終將對(duì)光波的相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為對(duì)光能的強(qiáng)度調(diào)制。
[0026] 本案中，所述直波導(dǎo)1的一端作為電光邏輯口與外接單模光纖的接口，用于引入輸 入光波，直波導(dǎo)1的另一端作為電光邏輯口的第一輸出端，用于實(shí)現(xiàn)與非口的邏輯功能;第 二半環(huán)波導(dǎo)2-2的末端作為電光邏輯口的第二輸出端，用于實(shí)現(xiàn)禪合信號(hào)的單獨(dú)輸出。
[0027] 圖2所示為禪合區(qū)的截面圖，禪合區(qū)采用正向P-I-N結(jié)構(gòu)，通過(guò)共面波導(dǎo)電極8加電 在單模脊型波導(dǎo)中注入電流，改變其載流子濃度，從而改變本征區(qū)I的有效折射率，使光相 位受到調(diào)制。用來(lái)形成歐姆接觸的中滲雜區(qū)P+、N+位于單模脊型波導(dǎo)的兩側(cè)，在中間脊波導(dǎo) 處形成PN結(jié)，通過(guò)在單模脊型波導(dǎo)上方的Si化純化層刻蝕接觸孔，使電學(xué)結(jié)構(gòu)與共面波導(dǎo) 電極8相連接。為盡量減小傳輸損耗，使光場(chǎng)束縛在波導(dǎo)中，對(duì)波導(dǎo)中電學(xué)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì) 如下：頂層娃厚340nm，平板厚SOnm，脊波導(dǎo)寬度400nm，滲雜區(qū)距離脊波導(dǎo)距離Dop需要考慮 到實(shí)際的工藝條件。
[0028] 圖3和表1分別是本案的電光邏輯口結(jié)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的或非邏輯功能W及對(duì)應(yīng)的真 值表，我們分別對(duì)兩個(gè)禪合區(qū)的共面波導(dǎo)電極8進(jìn)行加電控制：只有在A禪合區(qū)和B禪合區(qū)全 都是處于低電平的時(shí)候，端口OUT-I才會(huì)有輸出；當(dāng)A禪合區(qū)和B禪合區(qū)有任意一個(gè)處于高電 平的時(shí)候，OUT-I端口都不會(huì)有輸出。
[0029] 表1本案的電光邏輯口對(duì)應(yīng)的真值表
[0031] 單模脊型波導(dǎo)保證了光信號(hào)的單模傳輸，輸入光波通過(guò)直波導(dǎo)1傳輸?shù)蕉U合區(qū)，通 過(guò)模擬掃描，可W分別得到禪合區(qū)的長(zhǎng)度和禪合區(qū)與直波導(dǎo)之間的禪合間距與禪合效率之 間的關(guān)系曲線，在保證禪合效率最高的情況下，我們要盡量縮短禪合區(qū)的長(zhǎng)度，即可W縮短 共面波導(dǎo)電極8的長(zhǎng)度，W便減少模擬電信號(hào)的反射與衰減。經(jīng)上述分析可知，為了獲得高 的禪合效率，我們需要對(duì)如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì):禪合長(zhǎng)度L、禪合間距D和刻蝕深度d。
[0032] 圖4為本案的邏輯功能仿真效果圖，（a)表示A禪合區(qū)的電信號(hào)輸入，、（b)表示B禪 合區(qū)的電信號(hào)輸入，運(yùn)里我們均采用數(shù)字型高低電平信號(hào)，（C)表示邏輯端的數(shù)字輸出，從 圖中可W看出，只有A禪合區(qū)和B禪合區(qū)都為低電平輸入時(shí)，輸出端才會(huì)輸出邏輯"r;若A禪 合區(qū)和B禪合區(qū)有一個(gè)高電平，則輸出端輸出邏輯"0"。
[0033] 本案的最大特征在于采用了 A/D轉(zhuǎn)換的方式，將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)輸 出，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:兩個(gè)禪合區(qū)采用P-I-N結(jié)構(gòu)，利用SOI的載流子色散效應(yīng)，通過(guò)改變加 載在兩個(gè)禪合區(qū)的模擬電信號(hào)的強(qiáng)度，可W改變禪合區(qū)中載流子濃度，引起禪合區(qū)折射率 的變化，進(jìn)而控制禪合區(qū)的禪合效率，從而將對(duì)光波的相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成對(duì)光能強(qiáng)度調(diào)制。
[0034] 本案的優(yōu)勢(shì)在于：1、在OUT-I端口實(shí)現(xiàn)或非的邏輯口操作基礎(chǔ)上，還可W對(duì)0UT-2 端口進(jìn)行單獨(dú)輸出，且在0UT-2端口單獨(dú)輸出時(shí)，能夠使其輸出能量可控，即還可作為電光 調(diào)制器。2、采用S-BendW及半環(huán)，一是為了構(gòu)成回路，二是為了減小器件尺寸，而且由于SOI 對(duì)光的強(qiáng)限制性，可W最大限度的降低彎曲損耗。3、我們采用了了僅供單模傳輸?shù)募剐筒?導(dǎo)，可近似實(shí)現(xiàn)絕熱無(wú)損的光能量傳輸，并通過(guò)模擬計(jì)算出禪合間距和禪合長(zhǎng)度，在實(shí)現(xiàn)最 佳禪合效率基礎(chǔ)上，盡量減小禪合長(zhǎng)度，即減小電極長(zhǎng)度，最大限度避免點(diǎn)反射帶來(lái)的電壓 畏減。
[0035] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，其特征在于:包括基于SOI材料制作的單模脊型波導(dǎo)， 所述單模脊型波導(dǎo)包括直波導(dǎo)（1)和鉤型波導(dǎo)兩部分，所述鉤型波導(dǎo)包括端面對(duì)端面順次 連接的第一耦合區(qū)（3-1)、第一半環(huán)波導(dǎo)(2-l)、S-Bend(4)、第二耦合區(qū)（3-2)和第二半環(huán)波 導(dǎo)(2-2)，S-Bend(4)為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，第一耦合區(qū)（3-1)和第二耦合區(qū)（3-2)在一條直線上， 第一半環(huán)波導(dǎo)(2-1)和第二半環(huán)波導(dǎo)(2-2)均為1/2圓環(huán)，且第一半環(huán)波導(dǎo)(2-1)和第二半環(huán) 波導(dǎo)(2-2)的環(huán)口正對(duì);鉤型波導(dǎo)位于直波導(dǎo)（1)的一側(cè)，且鉤型波導(dǎo)的第一耦合區(qū)（3-1)和 第二耦合區(qū)（3-2)與直波導(dǎo)（1)相平行； 所述第一耦合區(qū)（3-1)和第二耦合區(qū)（3-2)的單模脊型波導(dǎo)中嵌入電學(xué)結(jié)構(gòu)，電學(xué)結(jié)構(gòu) 為P-I-N結(jié)構(gòu)，在第一耦合區(qū)（3-1)和第二耦合區(qū)（3-2)上方各設(shè)置有一個(gè)共面波導(dǎo)電極 (8)，共面波導(dǎo)電極(8)與電學(xué)結(jié)構(gòu)形成電學(xué)接觸，通過(guò)共面波導(dǎo)電極(8)向第一耦合區(qū)（3- 1) 和第二耦合區(qū)（3-2)加載模擬電信號(hào)； 所述直波導(dǎo)（1)的一端作為電光邏輯門與外接單模光纖的接口，用于引入輸入光波，直 波導(dǎo)（1)的另一端作為電光邏輯門的第一輸出端，用于實(shí)現(xiàn)邏輯門功能;第二半環(huán)波導(dǎo)（2- 2) 的末端作為電光邏輯門的第二輸出端，用于實(shí)現(xiàn)耦合信號(hào)的單獨(dú)輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，其特征在于:所述第一半環(huán)波導(dǎo)(2- 1) 的半徑小于第二半環(huán)波導(dǎo)(2-2)的半徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，其特征在于:根據(jù)第一耦合區(qū)（3-1) 和第二耦合區(qū)（3-2)的長(zhǎng)度，第一半環(huán)波導(dǎo)(2-1)和第二半環(huán)波導(dǎo)(2-2)的半徑，在第一半環(huán) 波導(dǎo)(2-1)和S-Bend(4)之間設(shè)置一段輔助直波導(dǎo)(5)，輔助直波導(dǎo)(5)的兩端通過(guò)端面對(duì)端 面方式分別與第一半環(huán)波導(dǎo)(2-1)和S-Bend(4)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，其特征在于:所述第一耦合區(qū)（3-1) 的末端通過(guò)端面對(duì)端面的方式連接有一段彎曲波導(dǎo)（6)，彎曲波導(dǎo)（6)的末端遠(yuǎn)離直波導(dǎo) ⑴。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，其特征在于:所述第二半環(huán)波導(dǎo)(2- 2) 的末端通過(guò)端面對(duì)端面的方式連接有一段輔助輸出波導(dǎo)(7)，通過(guò)輔助輸出波導(dǎo)(7)延伸 第二輸出端。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，包括基于SOI材料制作的直波導(dǎo)和鉤型波導(dǎo)，所述鉤型波導(dǎo)包括端面對(duì)端面順次連接的第一耦合區(qū)、第一半環(huán)波導(dǎo)、S-Bend、第二偶合區(qū)和第二半環(huán)波導(dǎo)，S-Bend為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，第一耦合區(qū)和第二耦合區(qū)在一條直線上，第一半環(huán)波導(dǎo)和第二半環(huán)波導(dǎo)均為1/2圓環(huán)，且第一半環(huán)波導(dǎo)和第二半環(huán)波導(dǎo)的環(huán)口正對(duì)；鉤型波導(dǎo)位于直波導(dǎo)的一側(cè)，且鉤型波導(dǎo)的第一耦合區(qū)和第二耦合區(qū)與直波導(dǎo)相平行。本發(fā)明提供的SOI基結(jié)構(gòu)的電光邏輯門，在完成耦合的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，快速完成模擬電信號(hào)到數(shù)字光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)超快電光邏輯門操作，可以在高速通信網(wǎng)絡(luò)中獲得應(yīng)用。
【IPC分類】H03K19/14
【公開號(hào)】CN105634466
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510955105
【發(fā)明人】胡國(guó)華, 李磊, 戚志鵬, 惲斌峰, 張若虎, 鐘嫄, 崔一平
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月17日