专利名称：基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件的制作方法
技术领域：
本发明属于全光逻辑门的结构设计，特别是涉及一种超小型基于光子晶体的全光 光逻辑门器件。
背景技术：
全光技术的发展是实现未来通信网络的重要基础。作为实现全光网络的关键器件 之一，全光逻辑门在寻址、光计算、时钟提取和信号再生中都有着广泛应用，引起了越来越 多人们的关注。到目前为止，已有多种不同方法及材料用于实现全光逻辑门包括光纤型及 半导体放大器型等。但是这些实现方式都有一定的限制，如基于光纤非线性效应的全光逻 辑门，不利于微型化；而半导体光放大器的自发辐射噪音会对结果产生很大影响等等。另一 方面，光子晶体是类似于电子的“光半导体”，是一种人工周期性材料结构，其可以很好地控 制光子的行为，如抑制或增强光子的自发辐射等。此外，它们还可以将设计好的器件结构平 移缩放到任何感兴趣的波段，如从可见光波段到远红外波段。因此，光子晶体是一个富有前 景的制作纳米光子器件的平台。设计和研制基于光子晶体技术的全光逻辑门器件是未来全 光网络的一个重要发展方向。最近基于光子晶体的全光逻辑门也屡见报道，但还存在一些局限性，如基于光子 晶体非线性效应逻辑门，要求较高的工作功率，导致耗能较大；基于光子晶体自准直效应逻 辑门，由于自准直频域较宽从而导致器件的Q值较低，同时处于自准直频域外的光会使器 件的损耗增大，从而降低器件的效率；基于光子晶体多模干涉逻辑门容易出现误码，且Q值 与开关速度及多模的频率带宽成反比；基于光子晶体超小型微环(PCRR)逻辑门，有T型逻 辑门、L型逻辑门和Y型逻辑门等。利用PCRR为基本结构进行设计和构造的全光逻辑门器 件具有高集成、响应快、性能稳定等特点。但是也存在一些局限性，如所用材料为非线性， 要求较高的工作功率；需要两种或三种不同材料，结构相对复杂；输入端和控制端所选用 的光源的操作波长不一致，增加操作难度；所用的微环最少也有两个，从而整体尺寸相对较 大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于单个光子晶体微环的全光 光逻辑门结构，能够实现或非、非逻辑功能。为实现本发明的目的采用的技术方案是该光子晶体全光光逻辑门器件由三角晶 格光子晶体阵列、六边形微环(PCRR)、直波导区、Y波导区构成，其中三角晶格光子晶体阵 列是由多个呈三角形周期性分布的介质柱型二维光子晶体排列而成的；六边形微环位于三 角晶格光子晶体阵列中间区域，由六边形线缺陷构成；Y波导区为引入线缺陷两段波导，位 于六边形微环左右对称点处，并分别与相连接的六边形微环两边结合构成左Y波导和右Y 波导，呈横“Y”型；在三角晶格光子晶体阵列中沿水平方向对称移除一排介质柱，构成直波 导区，直波导区分为线缺陷上端直波导和下端直波导。在六边形微环(PCRR)与直波导区之间的介质柱中，还插入两个物理性质相同的附加介质柱。本逻辑门器件的上端直波导设有一个控制端A和闲置波出口端，下端直波导设有 一个控制端B和闲置波出口端，左Y波导设有一个输出端，右Y波导设有一个输入端。依据上述结构，实现逻辑“0”和“1”的变化和定义，其过程为控制端A或控制端B，和右Y波导输入端放置光源，则定义为逻辑“ 1 ”，没有放置光 源，定义为逻辑“0” ；对于输出端，归一化光功率大于0. 85定义为逻辑“1”，小于0. 17定义 为逻辑“0”。控制端A或控制端B输入的光，与输入端输入的光在六边形光子晶体微环区域进 行干涉叠加，由于位相差的不同直接影响输出端光的强弱，通过使输出端光强变化实现逻 辑“ 0 ”和“ 1 ”的变化，实现全光控制。和早期的光子晶体微环逻辑门相比，本发明逻辑门是基于单环、无非线性材料、工 作波长相同且整个结构的柱子材料相同。
图1是本发明结构框图。图2是三角晶格光子晶体波导Bus的色散曲线图。图3是本发明结构输出端归一化强度谱，以及逻辑“1”和逻辑“0”的定义图。图4是本发明结构的稳态光波传输场图。图1中，1为上端直波导控制端A ；2为上端直波导；3为上端直波导闲置波出口端； 4为六边形微环与直波导区之间插入的附加柱子；5为右Y波导；6为右Y波导的输入端；7 为六边形微环；8为下端直波导；9为六边形微环与直波导区之间插入的另一个附加柱子； 10为左Y波导；11为介质柱；12为下端直波导控制端B ;13为左Y波导的输出端；14为下 端直波导闲置波出口端。
具体实施例方式实施例1为了进一步理解本发明的技术方案，结合附图以实施例方式做具体的说明。本实 施例仅作为对发明方案的进一步理解，而不作为权利要求的限制。本发明以三角晶格二维光子晶体介质柱为例，考察中心波长为1.55微米的通信 波段，采用的介质材料为硅，相应折射率为3. 48。对于二维介质柱11光子晶体，其TM模式 具有较大的光子带隙(PBG)。为了获得大的带隙，取介质柱11半径r为0.185a，这里a是 晶格常数。在六边形微环(PCRR) 7的两边沿水平方向对称移除一排介质柱11形成直波导， 俗称Bus波导，如图1所示的上端直波导2、下端直波导8。在六边形(PCRR)7中心位置沿 水平方向两边移除介质柱与六边形(PCRR) 7相结合形成Y波导，如图1所示的左Y波导10、 右Y波导5。附加柱子4和附加柱子9，其物理性质与介质柱11相同，用于改善直波导与六 边形微环(PCRR) 7之间的光谱选择性和下路效率。我们取上端直波导2、下端直波导8的外 围光子晶体排数为9排，上端直波导2、下端直波导8和六边形微环(PCRR) 7环区波导之间 的耦合排数为1，六边形微环(PCRR) 7的外围左右排数为34排。该逻辑门有六个端口，分别 为右Y波导输入端6的端口、上端直波导控制端Al的端口、下端直波导控制端B12的端口、左Y波导的输出端13的端口、上端直波导闲置波出口端3的端口、下端直波导闲置波出口 端14的端口。考察上述波导的色散曲线图，如图2所示，在归一化频率0.343a/λ 0. 463a/λ 内，具有很宽的单模波长。对于1. 55微米中心通信波长，选取a为0. 625微米，则相应的波 长范围为1. 350 1. 822微米。如图1所示，本发明始终保证输入端的输入信号，上端直波导控制端Al和下端直 波导控制端B12在四种组合=A “关”B “关”、A “开”B “关”、A “关”B “开”和A “开”B “开” 的状态下，在左Y波导的输出端13和右Y波导的输入端6各放置一个功率监视器，利用二 维时域有限差分(2D FDTD)计算方法，并选用各向异性完全匹配层(PML)为吸收边界条件， 注入覆盖上述感兴趣光谱范围的高斯脉冲光束，将左Y波导的输出端13的端口监测到的功 率与右Y波导的输入端6的端口的功率相比，即可得到左Y波导的输出端13的归一化强度 谱，如图3(a)所示。根据归一化强度谱，可做如此定义归一化强度大于0.85，就定义为逻 辑“1”;如果归一化强度小于0. 17，则定义为逻辑“0”，如图3(b)所示。上端直波导控制端 Al和下端直波导控制端B12在不同组合输入时的稳态传播场图，如图4所示。图4(a)上 端直波导控制端Al和下端直波导控制端B12状态为逻辑“0”，左Y波导的输出端13状态 为逻辑“1”；图4(b)上端直波导控制端Al为逻辑“1”、下端直波导控制端B12为逻辑“0”， 左Y波导的输出端为逻辑“0”；图4(c)上端直波导控制端Al为逻辑“0”、下端直波导控制 端B12为逻辑“1”，左Y波导的输出端13为逻辑“0”;图4(d)上端直波导控制端Al和下端 直波导控制端B12为“1”，输出端为逻辑“0”。该结果列于表一中，反映了左Y波导的输出 端13与下端直波导控制端B12之间或非逻辑值的关系，实现或非逻辑门功能，逻辑表达式 如下
输出端二λΠ下表为“或非”逻辑门真值表 如图1所示，我们始终保证右Y波导的6输入端的输入信号，下端直波导控制端 Β12不放置光源，上端直波导控制端Al在“关”、“开”两种状态下，采用波长为1.607μπι的 连续光源，得到两幅稳态传播场图，图四(a)上端直波导控制端Al为逻辑“0”，左Y波导的 输出端13状态为逻辑“1”；图四(b)上端直波导控制端Al为逻辑“1”，左Y波导的输出端 13为逻辑“0”;该结果列于表二中，反映了左Y波导的输出端13与上端直波导控制端Al之 间非逻辑值的关系，实现非逻辑门功能，逻辑表达式如下
输出端=X或上端直波导控制端Al不放置光源，下端直波导控制端B12在“关”、“开”两种状 态，也能得到左Y波导的输出端13与下端直波导控制端B12之间非逻辑值的关系，实现非
逻辑门功能，逻辑表达式如下
输出端=B下表为“非”逻辑门真值表 本发明仅以六边形三角晶格二维光子晶体进行了说明。但对于本领域技术人员而 言，从上述的阐述可知，本结构可以推广到其他形状微环以及其他晶格排列如正方晶格以 及二维平板光子晶体。
权利要求
一种基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于该全光光逻辑门器件由三角晶格光子晶体阵列、六边形微环、直波导区、Y波导区构成，其中三角晶格光子晶体阵列是由多个呈三角形周期性分布的介质柱型二维光子晶体排列而成的；六边形微环位于三角晶格光子晶体阵列中间区域，由六边形线缺陷构成；Y波导区位于六边形微环左右对称点处，并分别与相连接的六边形微环两边结合构成左Y波导和右Y波导，呈横“Y”型；在三角晶格光子晶体阵列中沿水平方向对称移除一排介质柱，构成直波导区，在六边形微环与直波导区之间的介质柱中，还插入两个物理性质相同的附加介质柱。
2.根据权利要求1所述的基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于所 述的Y波导区为引入线缺陷两段波导。
3.根据权利要求1所述的基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于所 述的左Y波导和右Y波导，在左Y波导设有一个输出端，在右Y波导设有一个输入端。
4.根据权利要求1所述的基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于所 述的上端直波导，设有一个控制端A和闲置波出口端。
5.根据权利要求1所述的基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于所 述的下端直波导，设有一个控制端B和闲置波出口端。
6.根据权利要求1所述的基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件，其特征在于所 述的依据上述结构，实现逻辑“0”和“1”的变化和定义，其过程为控制端A或控制端B，和右Y波导输入端放置光源，则定义为逻辑“ 1 ”，没有放置光源， 定义为逻辑“0”;对于输出端，归一化光功率大于0. 85定义为逻辑“1”，小于0. 17定义为逻 辑“0”，控制端A或控制端B输入的光，与输入端输入的光在六边形光子晶体微环区域进行 干涉叠加，由于位相差的不同直接影响输出端光的强弱，通过使输出端光强变化实现逻辑 “ 0 ”和“ 1 ”的变化，实现全光控制。全文摘要
本发明属于全光逻辑门的结构设计，特别涉及一种超小型基于光子晶体的全光光逻辑门器件。其特征在于该器件由三角晶格光子晶体阵列、六边形微环、直波导区、Y波导区构成。其中三角晶格光子晶体阵列是由多个介质柱型二维光子晶体排列而成的；六边形微环位于三角晶格光子晶体阵列中间区域，由六边形线缺陷构成；Y波导区位于六边形微环左右对称点处，构成左Y波导和右Y波导；在三角晶格光子晶体阵列中沿水平方向对称移除一排介质柱，构成直波导区，在六边形微环与直波导区之间的介质柱中，还插入两个物理性质相同的附加介质柱。和早期的光子晶体微环逻辑门相比，本发明逻辑门是基于单环、无非线性材料、工作波长相同且整个结构的柱子材料相同。
文档编号G02B6/122GK101916027SQ20101024404
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者强则煊, 白继博, 蒋俊贞, 许晓赋, 邱怡申 申请人:福建师范大学