专利名称：一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，属于全光逻辑门的技术领域。
背景技术：
随着光通信技术的飞速发展，超高速光信号处理技术在光通信中的位置越来越重要，同时对组建光通信系统的设备要求也越来越高。直接在光域上实现各种逻辑操作的全光逻辑门，可以应用于全光网络中的标签交换、数据编码和光分组路由等，是组建全光通信系统和实现全光集成芯片的关键设备之一。尤其是超小型的全光逻辑门设备，更适合应用于大规模集成光路的组建，因此备受关注。光子晶体是一种在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制作的微结构材料，其独特的可在波长尺度内控光能力给超小型光集成 带来了希望。而由光子晶体实现的全光逻辑门也成为研究热点。目前，基于光子晶体全光逻辑门主要有基于非线性光子晶体的非线性效应的全关逻辑门(文献 l，Qiang Liu,Zhengbiao Ouyang,Chih Jung Wu,Chung Ping Liu,and JongC. Wang, “All-optical half adder based on cross structures in two-dimensionalphotonic crystals,，，0pt. Exp.，vol. 16，no. 23，pp. 18992-19000，Nov. 2008，和文献 2，Parisa Andalib and Nosrat Granpayeh,“All_optical ultracompact photonic crystalAND gate based on nonlinear ring resonators,，，J. Opt. Soc. Amer. B, vol. 26, no. I,Jan. 2009,和文献 3, Zhi-Hong Zhu, Wei-Min Ye, Jia-Rong Ji, Xiao-Dong Yuan, and ChunZen,“High-contrast light-by-light switching and AND gate based onnonlinearphotonic crystals, ” Opt. Exp.，vol. 14, no. 5, pp. 1783-1788, Mar. 2006.)，基于光子晶体自准直效应型的全光逻辑门(文献4, A. P. Kabilan, X. Susan Christina, P. ElizabethCaroline, “Photonic Crystal based all Optical OR and XOR Logic Gates,，，Sec.Int. con. on Comp. , Comm, and Net. Tec.，2010,和文献 5, Yuanliang Zhang, Yao Zhang,and Baojun Li,“Optical switches and logic gates based on self-collimated beamsin two-dimensional photonic crystals,Opt. Exp. , vol. 15, no. 15, pp. 9287-9292,Jul. 2007.)，基于四波混频效应的光子晶体慢光波导全光逻辑门(文献6，C. Husko，T. D. Vo, B. Corcoran, J. Li, T. F. Krauss, and B. J. Eggleton, “Ultracompact all-opticalXOR logic gate in a slow-light silicon photonic crystal waveguide, Opt. Exp.,vol. 19,no. 21,pp. 20681-20690，Oct. 2011.)等等。这些光子晶体全光逻辑门展示了一些优点，如集成度高、响应快等，但是，利用非线性光子晶体的非线性效应而实现的全关逻辑门，需要很高的工作功率，这就导致逻辑门耗能很大，而耗能低的全光逻辑门可能更适合未来全光集成回路的组建；利用光子晶体自准直效应的全光逻辑门，结构简单，但是处于自准直频域外的光会使器件的能量损耗增大，会大大降低器件的效率；利用四波混频效应在硅基光子晶体慢光波导上实现全光逻辑门，能实现超小型的全光逻辑门设备，但是，器件的透射率很低，增大了器件的能量损耗。2011年,Yuhei Ishizaka, Yuki Kawaguchi,等人提出一种超小型耗能低的光子晶体全光逻辑门(文献7,Yuhei Ishizaka,Yuki Kawaguchi,KunimasaSaitoh, and Masanori Koshiba, “Design of ultra compact all-optical XOR and ANDlogic gates with low power consumption,，，Opt. Com. 284, pp. 3528-3533, Apr. 2011.),但是模型较低的误差容限可能限制了其应用。所以，耗能低、体积小且误差容限高的全光逻辑门的设计显得尤为重要。光子晶体多模干涉波导以其结构简单、损耗低且操作带宽较大，被广泛应用于各种全光器件的设计之中(文献 8, Zhangjian Li, Yao Zhang, and Baojun Li, “Terahertzphotonic crystal switch in silicon based on self-imaging principle,，，Opt.Exp. , vol. 14, no. 9, pp. 3887-3892, May 2006,和文献 9, Hyun-Jun Kim, Insu Park,Beom-Hoan 0, Se-Geun Park, El-Hang Lee, and Seung-Gol Lee,“Self-imagingphenomena in multi-mode photonic crystal line-defect waveguides -application towavelength de-multiplexing,”0pt. Exp. , vol.12, no.23, pp. 5625-5633, Nov. 2004,和文献 10, Qile Zhu and Baojun Li, “Photonic crystal waveguide-based Mach Zehnderdemultiplexer, ” App. Opt. , vol. 45, no. 35, Dec. 2006,和文献 11, Ming-Feng Lu, Shan-Mei Liao, and Yang-Tung Huang, “Ultracompact photonic crystal polarization beamsplitter based on multimode interference, ” App. Opt. , vol. 49, no. 4, Feb. 2010,和文献 12, Yao Zhang, Zhangjian Li, and Baojun Li, “Multimode interference effect andself-imaging principle in two-dimensional silicon photonic crystal waveguidesfor terahertz waves, ”0pt. Exp. , vol. 14, no. 7, pp. 2679-2689, Nov. 2006.)。本发明所涉及的光子晶体波导集成的全光异或逻辑门，由特殊设计的光子晶体Wl波导和W5波导集成而成。Wl波导构成异或逻辑门的输入和输出通道，而W5波导作为多模干涉区的多模干涉波导。Wl波导和W5波导分别为在完美的光子晶体中沿X方向去掉I排和5排介质柱而形成的线缺陷波导。携带不同相位的输入光分别由相应的输入端进入多模干涉区，并在多模干涉区进行干涉叠加，通过改变输入光的相位来使逻辑输出端的光强在最大值和最小值之间转换，从而实现异或逻辑功能。而且，通过特殊设计异或逻辑结构的输入和输出通道的结构，可以使该异或逻辑结构在整个通信C波段的消光比在22. 35dB以上。本发明的输入端的逻辑值由输入信号的相位决定，逻辑输出端的逻辑输出值是由输出信号的强度决定，因此本发明可以实现对BPSK信号的异或运算，可应用于BPSK通信系统。
发明内容
本发明的目的在于解决传统光子晶体全光逻辑门所存在的一些问题，如，耗能大，透射底，误差容限小，等等，从而提出一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门。本发明结构简单、尺寸小、耗能低且误差容限较高，是实现全光逻辑门的理想方案。本发明由特殊设计的Wl波导和W5波导集成而成。其中，Wl波导构成异或逻辑门的输入和输出通道，W5波导作为多模干涉区的多模干涉波导。工作原理为在两个输入端分别输入中心波长相同、偏振方式相同且功率相同，但相位不同的光信号，由输入端进入到多模干涉区进行相干叠加，通过改变输入信号的相位来使逻辑输出端的光强在最大值和最小值之间变换，进而实现在通信C波段上的异或运算。本发明所涉及的逻辑输入值是由输入光的相位决定，而逻辑输出值是由输出光强决定，所以本发明可应用于BPSK通信系统中对BPSK信号进行异或运算。本发明的目的可通过如下措施来实现一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其中该全光逻辑门是在二维三角晶格介质柱型光子晶体上实现的，其中二维三角晶格柱型光子晶体可通过电子束光刻技术制作。所述的光子晶体波导集成的异或逻辑结构的两个输入通道由2个60°弯曲的Wl波导组成，具体实现如下在完美二维光子晶体中沿X方向去掉6个介质柱形成Wl波导，作为输入通道A，之后在该Wl波导的下方间隔9排介质柱的位置再去掉6个介质柱，作为输入通道B，之后再在两个Wl波导的末端均按60°弯曲方向引入长度为2a的Wl波导。所述的光子晶体波导集成的异或逻辑结构的多模干涉波导由W5波导组成，具体实现如下在输入通道A和B末端沿X方向连续去掉5排介质柱形成W5多模干涉波导，可 根据多模干涉的模间理论计算出相邻模式的耦合长度找到最短的成像位置，即作为多模干涉波导的长度，当携带不同相位的光信号(偏振方式、功率以及中心频率均相同)，由输入通道A和B分别进入到多模干涉区域时，会在此进行干涉叠加，在像点会出现最大的能量，再改变输入信号的相位，在原像点位置又会出现最小的能量，这样，通过改变输入信号的相位而使逻辑输出端口的输出光强在最大和最小值之间变换，从而实现异或功能。所述的多模干涉波导，即W5波导，其长度由多模干涉的模间耦合理论确定为6a，本设计将多模干涉区的长度确定为7a。所述的多模干涉区的特殊结构设计，将初始端和末端的3个介质柱去掉，通过仿真发现，逻辑门在通信C波段上的消光比显著提高。所述的光子晶体波导集成的异或逻辑结构的两个输出通道也由2个60°弯曲的Wl波导组成，其结构和输入通道相对称，整个逻辑门的结构是对称的。所述的光子晶体波导集成的异或逻辑结构其逻辑输出端的消光比可以通过调整输入和输出通道即Wl波导的结构来优化提高到22. 35dB以上，具体实现如下对输入输出通道的60°弯曲的Wl波导的临近波导中心的第一排介质柱垂直于波导中心向两边平移
O.35a，使直Wl波导的波导中心宽度增大为C^ + 0.7)a,弯曲部分的宽度增大为2. 7a，其中a是该光子晶体的晶格常数。所述的二维三角晶格柱形光子晶体，介质柱为硅柱，其折射率为3. 48，背景为二氧化硅，其折射率为1.45。所述的二维三角晶格柱形光子晶体，介质柱的半径为O. 2a，晶格常数a = 467nm。所述的基于多模干涉的光子晶体全光逻辑门，其输入端的逻辑值是由输入信号的相位决定，对于输入端口 A,光信号的相位为0°定义为逻辑值1，光信号的相位为180°定义为逻辑值O,对于输入端口 B,光信号的相位为90°定义为逻辑值1，光信号的相位为-90°定义为逻辑值O。所述的基于多模干涉的光子晶体全光逻辑门，其输出端的逻辑值是由输出信号的强度决定，光强最大时定义为逻辑1，光强最小时定义为逻辑O。与传统方法相比本发明有如下优点I.本发明利用多模干涉原理，增大了有效操作带宽范围，使逻辑门能在整个通信C波段上实现消光比大于22. 35dB。
2.本发明的实现是基于以二氧化硅为背景，硅为介质柱的二维光子晶体，不采用非线性光子晶体，从而所设计的逻辑门的工作功率较低，耗能少。3.本发明实现于光子晶体波导的集成，所以尺寸较小，长为8. 9um，宽为7. 3um，有利于全光集成。4.本发明的输入输出逻辑值是由输入信号的相位决定，所以本发明可以实现对BPSK信号的异或运算。5.本发明的逻辑功能的实现不需要外加控制光，操作简单。6.本发明所涉及的逻辑异或结构的误差容限较高，可达20%，即当所有半径都比理论尺寸偏大20%时，仍然可以进行异或运算，而且消光比在IOdB以上的C波段的操作带宽可达27nm。本发明的原理如下·本发明所涉及的一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，是由Wl波导和W5波导集成而成，实现于二维三角晶格柱型光子晶体，其原理如下首先，用平面波展开法分别计算出完美光子晶体的禁带范围以及Wl和W5波导的能带曲线，研究Wl和W5波导禁带中的导模性质。根据公式(I)可以计算频率f = 0.3013处，基模和其他模间的干涉距离，模间耦合公式如下
权利要求
1.一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其中该全光异或逻辑门由特殊设计的Wl波导和W5波导集成而成。
2.如权利要求I所述的一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其特征是所设计的光子晶体异或逻辑结构包含一种特殊设计的多模干涉区结构采用W5波导作为多模干涉波导，其长度可由多模干涉的模间耦合公式计算得出，并去掉多模干涉区的初始和末端位置的三个介质柱，使异或门在通信C波段的消光比得到提高。
3.如权利要求I或2所述的一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其特征是所设计的光子晶体异或逻辑结构的输入输出端的特殊结构输入输出端均由60°弯曲的Wl波导组成，通过平移Wl波导临近波导中心的第一排介质柱来提高异或门在通信C波段的消光比，移动方向垂直于波导中心向外。
4.如权利要求I或2所述的一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其特征是该光子晶体异或逻辑结构的尺寸较小，长为8. 9um(沿X方向)，宽为7. 3um(沿z方向)，更加有利于全光集成。
5.如权利要求I或2所述的一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构，其特征是该光子晶体异或逻辑结构的误差容限可达到20%，即实际制作的光子晶体的半径可比理论上设计的半径大20%，此时器件在通信C波段上的操作带宽可达27nm，同时消光比在IOdB以上。
全文摘要
本发明涉及一种基于光子晶体波导集成的全光异或逻辑门结构。本发明是由特殊设计的光子晶体W1波导和W5波导集成而成。W1波导组成输入输出通道，W5波导作为多模干涉波导，通过改变输入信号的相位使逻辑输出端的光强在最大值和最小值之间转换，进而实现异或功能。本发明的输入输出逻辑值由输入信号的相位决定，输出信号的逻辑值由逻辑输出端的输出光强决定，因此本发明可用于BPSK通信系统中对BPSK信号进行异或运算。
文档编号G02B6/122GK102722062SQ201210247888
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者刘伟佳, 张艳红, 田慧平, 申冠生, 纪越峰 申请人:北京邮电大学