基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，属于物理光学光子晶体的技术领域。
【背景技术】
[0002]光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间形成周期性结构，当光在其中传播时受到调制形成光子能带结构，在合适的晶格常数与介电常数比的条件下，出现光子带隙，频率落在光子带隙中的光不能传播。光子晶体通过带隙来限制光的传输方向从而达到人为控制光的传播方向进行导光。光子晶体中具有反常色散效应，包括负折射，自准直和超棱镜效应等。在自准直效应中，光子晶体可以对光的传播行为进行精确控制。
[0003]自准直效应是指电磁波在光子晶体中被周期性结构调制，如在真正的光学波导中一般，可沿着特定的方向无衍射传输。电磁波在光子晶体结构中的传播方向是由光子晶体的色散曲面决定的，入射电磁波的传播方向垂直于光子晶体的色散曲面。色散曲面在给定频率处的横截线被称为等频线(EFC)。对应于某一频率的等频线平坦时，以该频率入射的电磁波可以出现自准直传播现象。等频线可以用多种数值方法计算得到，如平面波展开(PWE)法、时域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)等。基于自准直效应的光束分离器和干涉装置已被实验和理论验证。光学开关和逻辑门是集成光路设计中的基本元器件，因此，此类光学设备已获得了人们的广泛关注。
[0004]早期通过电磁模拟，基于金属波导网络设计了光学干涉仪逻辑门，可实现所有的基本逻辑操作。后来又针对二进制相移键控提出了基于多模干涉波导的逻辑门。基于线性光波干涉和非线性相位擦除效应，提出了可级联和可重构的光子逻辑门。然而，已公开的光开关设计方面的工作大多基于的是光耦合效应，受到传统波导中物理边界的限制。
【发明内容】
[0005]本发明针对传统光开关在波导中受到物理边界限制的问题，提出一种能够避免受到波导中物理边界的限制，令入射光束沿着特定方向传输的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门。
[0006]本发明中的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，采用以下技术方案:
[0007]该逻辑非门，包括一个正方晶格的光子晶体，该光子晶体具有自准直干涉效应；在光子晶体的内部制作有两个沿自准直光束传播方向(ΓΜ方向)排列的线缺陷，作为两个分束器SJP S 2，线缺陷的柱半径分别为rsl= 0.421a和r S2= 0.39a，S:是部分反射分束器，而S2是全反射分束器；两个分束器的距离为Δ1，Δ1 = 12a、27a、38a或49a，其中a =
0.4185 μπι;光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口(其中一个入射端口总是有入射光束)。通过调整缺陷柱半径及两输入光束之间的光路差来调整两输入光束之间的相位差，两输入光束通过相消干涉或相长干涉实现逻辑非门功能。
[0008]所述正方晶格的光子晶体是以硅为背景材料的二维空气孔正方晶格的光子晶体，背景材料硅的介电常数ε = 11.56
[0009]所述光子晶体的大小为35a*35a，a = 0.4185 μ m。
[0010]所述光子晶体的柱半径r = 0.3a，a = 0.4185 μπι。
[0011]所述入射端口的输入光束波长为1.55 μ m。
[0012]上述逻辑非门在光子晶体中引入缺陷，进行分光，形成自准直干涉效应，再利用自准直光束之间的干涉，通过调整分束器缺陷柱的半径及两束光之间的光路差，调整两输入光束之间的相位差。两光束可以通过相消干涉或相长干涉来实现开关及逻辑功能。利用已知基本特性的分束器，布置光路，通过设置一定数据，利用时域有限差分法，设置完美匹配层(PML)边界，实现逻辑非门的功能模拟。该方式不受到传统波导中物理边界的限制，具有更好的适应性。
[0013]本发明基于光子晶体的自准直干涉效应，通过调整分束器的柱半径和两束光之间的几何路程差来产生所需的相位差，实现相长干涉或相消干涉，从而实现开关或逻辑功能。与传统的利用耦合效应光学开关相比，基于自准直干涉效应的逻辑非门，可以不必利用传统波导中物理边界的限制，令入射光束沿着特定的方向传输。
【附图说明】
[0014]图1是光子晶体TE模式第二频带等频线分布图。光子晶体中空气孔的半径r =
0.3a，背景材料硅的介电常数ε =11.56。
[0015]图2是透过率Τ和反射率R随分束器柱半径rd/a的变化曲线。
[0016]图3是本发明中逻辑非门的结构示意图。31和52是两个分束器，52的宽度是6排格点，箭头线描述了自准直光束的传播路径。
[0017]图4是当A有信号光时，Δ 1 = 12a的逻辑非门的模拟场分布示意图。
[0018]图5是当A有信号光时，Δ 1 = 27a的逻辑非门的模拟场分布示意图。
[0019]图6是当A有信号光时，Δ 1 = 38a的逻辑非门的模拟场分布示意图。
[0020]图7是当A有信号光时，Δ 1 = 49a的逻辑非门的模拟场分布示意图。
[0021]图8是当A没有信号光时，逻辑非门的模拟场分布示意图。
【具体实施方式】
[0022]本发明基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门的设计需要用到分光装置，该分光装置将结合光子晶体的自准直干涉效应，通过布置光路，实现逻辑非门的功能。
[0023]本发明研究了以硅为背景的二维空气孔正方光子晶体结构，图1给出了 TE模式第二频带的等频线分布，从图中可以看出，f = 0.27 (c/a)对应的等频线接近正方形，这导致TE偏振光在频率f = 0.27 (c/a)附近沿Γ X方向可实现自准直传输。本发明即是利用上述结构及频率f = 0.27 (c/a)的TE偏振光来进行逻辑门设计。
[0024]上述光子晶体中:空气孔的半径为r = 0.3a (其中a是晶格常数)，背景材料Si的介电常数为11.56，使用的光波长是1.55 μm，晶格常数被设定为a = Af = 0.4185 μπι。
[0025]设计中用到的分束器是光子晶体中沿ΓΜ方向排列的线缺陷，光束自光子晶体左侧入射，沿ΓΧ方向传输。分束器的缺陷柱半径rd的变化范围为[0，0.5a]。分束器中光束沿特定的Γ X方向传输。分束器中使用频率为f = 0.27 (c/a)的TE偏振高斯光束。
[0026]上述分束器通过对坡印亭矢量进行时间积分，可以得到分束器透射和反射光束功率的时间均值，该均值与入射光束的功率作比较，便可获得透射率T和反射率R的值，该值随着缺陷柱半径的变化而变化。图2给出了分束器透射率和反射率随半径rd的变化曲线。
[0027]当光线通过分束器传播时，反射光和透射光之间存在31 /2的相位差。如果线缺陷的柱半径比宿主光子晶体的柱半径小，则与入射光束相比，反射光束将产生Ji/2的相位滞后；相反，如果该线缺陷的柱半径比宿主光子晶体的柱半径大，则与入射光束相比，反射光束将产生η/2的相位滞后。
[0028]本发明利用时域有限差分(FDTD)法，设置完美匹配层(PML)边界条件，模拟了通过装置的光束的传输行为。
[0029]本发明的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，如图3所示。采用以硅为背景材料的二维空气孔35a*35a正方光子晶体，柱半径r = 0.3a，背景材料硅的介电常数ε = 11.56，通信中使用的光波长是1.55μm，其中a是晶格常数，设定为a= λ f =
0.4185 μ m。两个分束器SjP S 2为以光子晶体中沿Γ Μ方向排列的线缺陷，线缺陷的柱半径分别为rsl= 0.421a和r S2= 0.39a，S:是部分反射分束器，而S 2是全反射分束器。S ^Ij&的距离为Λ1。整个器件在光子晶体中设有A和B两个入射端口，一个输出端口为I。
[0030]当输入端口有信号时，输出端口没有信号；当输入端口无信号时，输出端口有信号，实现上述功能的光子晶体可被视为逻辑非门。图3中，从A入射的是信号光，从B入射的是参考光，参考光总是存在。当端口 A有信号光输入时的情况:两束沿ΓΧ方向传播的频率为f = 0.27 (c/a)的TE偏振高斯光束从A与B端口同时入射。从端口 A入射的光束经线缺陷3:后，部分被反射；从端口 B入射的光束被线缺陷S 2完全反射，然后被线缺陷S:部分反射，之后，两光束相互干涉以形成输出光束I。
[0031]当A和B两入射光强度相等时，如果Δ1 = 12a、27a、38a或49a，可以使输出光强度近似为零，可以认为输出端没有信号输出。图4、图5、图6和图7分别给出了 Al = 12a、27a、38a和49a的逻辑0的四种稳态场分布。当A没有信号光输入时，稳态场分布如图8所示，其可以被定义为逻辑1。
【主权项】
1.一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，包括一个正方晶格的光子晶体，该光子晶体具有自准直干涉效应；在光子晶体的内部制作有两个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为两个分束器Sjp S2，线缺陷的柱半径分别为rsl= 0.421a和rS2=0.39a，Si是部分反射分束器，而S2是全反射分束器；两个分束器的距离为Δ1，Δ1=12a、27a、38a或49a，其中a = 0.4185 μ m ;光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口。2.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，所述正方晶格的光子晶体是以硅为背景材料的二维空气孔正方晶格的光子晶体，背景材料硅的介电常数ε = 11.56。3.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，所述光子晶体的大小为35a*35a，a = 0.4185 μ m。4.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，所述光子晶体的柱半径r = 0.3a，a = 0.4185 μπι。5.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，所述入射端口的入射光束波长为1.55 μ m。6.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，其特征是，当rsl= 0.421a时，S ^勺功率透射率和反射率分别是T = 0.41699和R = 0.40831。
【专利摘要】一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑非门，包括一个正方晶格的光子晶体，该光子晶体具有自准直干涉效应；在光子晶体的内部制作有两个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为两个分束器S1和S2，线缺陷的柱半径分别为rS1＝0.421a和rS2＝0.39a，S1是部分反射分束器，而S2是全反射分束器；两个分束器的距离为Δl，Δl＝12a、27a、38a或49a，其中a＝0.4185μm；光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口。通过调整缺陷柱半径及两输入光束之间的光路差来调整两输入光束之间的相位差，两输入光束通过相消干涉或相长干涉实现逻辑非门功能。该逻辑非门不受到传统波导中物理边界的限制，具有更好的适应性。
【IPC分类】G02F3/00
【公开号】CN105404075
【申请号】CN201510980778
【发明人】杨修伦, 孙晓雯, 范冉冉
【申请人】山东大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月23日