一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，包括：第一纳米线波导通过第一方向耦合器将输入光信号耦合进微环谐振腔，微环谐振腔经过第二方向耦合器将输出光信号耦合进第二纳米线波导；第一纳米线波导和第二纳米线波导相互平行；微环谐振腔在第一纳米线波导和第二纳米线波导下面的相邻平面内，且位于第一纳米线波导和第二纳米线波导之间。采用本实用新型实现的全光逻辑门具有工艺简单、成本低、开关能量低及可靠性高等优点。
【专利说明】-种基于垂直閒合微环激光器结构的全光与口和或口
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及全光逻辑运算器件领域，尤其涉及一种基于垂直禪合微环激光器 结构的全光与口和或口。
【背景技术】
[0002] 随着全球网络速度的飞速发展，对光通信的传输容量和信息处理能力提出了更高 的要求。传统光通信系统存在着体积鹿大、结构复杂、能耗高等难题，难W适应网络速度的 飞速发展和绿色节能环保的要求。解决上述问题的根本方法之一就是构建光电子集成芯 片，直接在光域内对信号进行处理和交换。
[0003] 全光逻辑口作为光信息处理的基本逻辑单元，是非常关键的核也器件。因此，如何 设计高速、低损耗的全光逻辑单元，并实现该些功能单元的单片集成是光信息处理和全光 通信领域的研究热点。
[0004] 目前，已提出多种基于半导体光放大器（S0A)、光子晶体波导、微光机电系统 (MOEMS)、微环谐振器和环形激光器等结构的全光逻辑口，并得到实验验证。与其它结构的 逻辑口相比，基于环形激光器结构的全光逻辑口具有结构简单紧凑、开关能量低、输出消光 比高、工作稳定、与半导体工艺兼容等优点。而且随着工作速度的提高，器件尺寸和功耗可 进一步降低，因而比基于半导体光放大器（SOA)和微光机电系统（MOEM巧的全光逻辑口更 适合大规模集成。
[0005] 最近，余思远等人对侧向禪合结构的微环激光器进行了系统研究，阐述了其中非 线性光学效应和光学双稳态等基本物理现象的起源，并基于微环激光器的光学双稳态实现 了全光逻辑口。然而，侧向禪合微环激光器的环形谐振腔和输入/输出波导处在同一平面， 两者的材料结构完全相同，因而输入/输出波导的吸收损耗大。另外，为了实现波导与环形 谐振腔之间的高效禪合，二者的禪合间距极小（0. 1?0. 3 y m)，因而必须使用电子束曝光、 感应禪合等离子体刻蚀等半导体工艺设备。该不仅使得器件制备成本昂贵，而且工艺精度 也难W控制。 实用新型内容
[0006] 本实用新型提供了一种基于垂直禪合微环激光器结构的全光与口和或口，本实用 新型实现了工艺难度低、光损耗小、且与半导体制备工艺兼容的全光逻辑器件，详见下文描 述：
[0007] -种基于垂直禪合微环激光器结构的全光与口和或口，包括：在同一平面内的第 一纳米线波导、第二纳米线波导和Y分支禪合器，
[0008] 所述第一纳米线波导通过第一方向禪合器将输入光信号禪合进微环谐振腔，所述 微环谐振腔经过第二方向禪合器将输出光信号禪合进所述第二纳米线波导；所述第一纳米 线波导和所述第二纳米线波导相互平行；所述微环谐振腔在所述第一纳米线波导和所述 第二纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导之 间。
[0009] 其中，所述Y分支禪合器的两个分支作为光信号的输入端口，输出端口与所述第 一纳米线波导相连。
[0010] 所述微环谐振腔上制作有P型电极和N型电极。
[0011] 进一步地，所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述微环谐振腔和所述Y 分支禪合器均采用条形或脊型波导结构。
[0012] 本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
[0013] 1、本实用新型利用微环激光器的光学双稳态特性，实现了全光"与"和"或"的逻 辑功能。
[0014] 2、采用垂直禪合微环激光器结构实现的全光逻辑口属于H维集成器件，可有效缩 减器件的横向尺寸，有利于实现高密度的器件集成。
[0015] 3、采用本技术方案实现的全光逻辑口具有工艺简单、成本低、开关能量低及可靠 性高等优点，有利于实际应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型提供的垂直禪合微环激光器结构全光逻辑口的结构示意图；
[0017] 图2为本实用新型提供的垂直禪合微环激光器的H维结构图；
[0018] 图3为制备完成的器件结构图。
[0019] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0020] 1 ;第一纳米线波导； 2 ;第二纳米线波导；
[0021] 3 ;微环谐振腔； 4 ;Y分支禪合器；
[0022] 5 ;第一方向禪合器； 6 ;第二方向禪合器；
[0023] 7 ;N型InP衬底； 8 ;N型InP下包层；
[0024] 9 =AlGaInAs多量子阱有源层； 10 ;P型InP上包层；
[0025] 11 ;P型InGaAs接触层； 12 ;聚合物介质；
[0026] 13 ;P型电极； 14 ;N型电极。
【具体实施方式】
[0027] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式 作进一步地详细描述。
[0028] 与此相反，垂直禪合微环激光器的环形谐振腔和输入/输出波导处于不同平面， 可W独立优化设计，因而可W提高器件性能，降低工艺难度。
[0029] 实施例1
[0030] 参见图1，本实用新型提供了基于垂直禪合微环激光器的全光"与"口的结构示意 图。该结构包括：第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、微环谐振腔3、Y分支禪合器4、第 一方向禪合器5和第二方向禪合器6。
[0031] 其中，第一纳米线波导1、第二纳米线波导2及Y分支禪合器4在同一平面内，且第 一纳米线波导1和第二纳米线波导2相互平行。微环谐振腔3在第一纳米线波导1 W下的 相邻平面内，且位于第一纳米线波导1和第二纳米线波导2之间。微环谐振腔3分别经过 第一方向禪合器5和第二方向禪合器6，与第一纳米线波导I和第二纳米线波导2发生临界 禪合，即第一纳米线波导1内传输的、满足微环谐振腔3谐振条件的光波经过第一方向禪合 器5禪合进微环谐振腔3,而微环谐振腔3内的谐振波长经过第二方向禪合器6禪合进第二 纳米线波导2,并在其输出端E输出信号。
[0032] 本实用新型实施例提供的基于聚合物/InP复合材料体系的垂直禪合微环激光结 构的全光"与"口制作在InP/AlGalnAs多量子阱外延晶片上。外延晶片包括；N型InP衬底 7、N型InP下包层8、AlGaInAs多量子阱有源层9、P型InP上包层10 W及P型InGaAs接 触层11，相应的外延晶片结构如图2所示。
[0033] 首先，利用半导体刻蚀技术在外延晶片上制备出单模传输的脊型波导结构的微环 谐振腔3。然后，旋涂聚合物介质12平坦化晶片表面。随后光刻出微环激光器的P型电极 图形窗口，并制备出P型电极13。之后，旋涂低损耗的波导聚合物（如含氣聚醜亚胺（PI)、 改性的聚甲醋丙帰酸甲醋（PMMA)、苯并环下稀炬CB)等），并制备出单模传输的聚合物纳米 线波导、Y分支禪合器4和方向禪合器。最后，将N型InP衬底7减薄至150 ym，并在晶片 背面制备N型电极14。制备完成的器件结构如图3所示。
[0034] 在微环激光器的P型电极13和N型电极14间通W合适的电流，使其偏置在仅有 顺时针或逆时针激射模式的单向双稳态。工作时，调整输入信号和控制信号的光波长，使其 与微环激光器的激射波长一致。
[00巧]当控制信号C的光功率大于单个输入信号的高光功率1，且小于组合信号D的高光 功率1时，两束输入信号A和B经过Y分支禪合器4合束后，传输进第一纳米线波导1，并经 第一方向禪合器5禪合进微环激光器。
[003引（1)当两束输入信号的光功率同时为低，即逻辑值同时为"0"时，组合信号D的光 功率小于控制信号C的光功率，微环激光器的激射模式由控制信号C决定，即激射模式为逆 时针，此时第二纳米线波导2输出端E的光功率为低，对应的逻辑值为"0"。
[0037] (2)当两束输入信号的光功率不同时为高，即输入信号A和B的逻辑值分别为"0" 和"1"或"1"和"0"时，由于此时组合信号D的光功率小于控制信号C的光功率，所W微环 激光器的激射模式仍由控制信号C决定，即微环激光器的激射模式仍为逆时针，所W第二 纳米线波导2输出端E的光功率仍为低，对应的逻辑值为"0"。
[003引 做当两束输入信号的光功率同时为高，即逻辑值同时为"1"时，禪合进微环激光 器的组合信号D的光功率大于控制信号C的光功率，此时微环激光器的激射模式由组合信 号D决定，即微环激光器的激射模式切换为顺时针，第二纳米线波导2输出端E的光功率为 高，对应的逻辑值为"1"。
[0039] 因此，输入信号光功率与输出信号光功率之间的对应关系构成如下所示的"与"逻 辑真值表。
[0040] A [0 [0 [I [I B 0 1 0 1 E=AHBO 0 0 1
[0041] 综上所述，输入信号光功率与输出信号光功率之间的对应关系可构成相应的"与" 逻辑关系。
[004引 实施例2
[0043] 参见图1，本实用新型提供了基于垂直禪合微环激光器的全光"或"口的结构示意 图。该结构包括：第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、微环谐振腔3、Y分支禪合器4、第 一方向禪合器5和第二方向禪合器6。
[0044] 其中，第一纳米线波导1、第二纳米线波导2及Y分支禪合器4在同一平面内，且第 一纳米线波导1和第二纳米线波导2相互平行。微环谐振腔3在第一纳米线波导1下面的 相邻平面内，且位于第一纳米线波导1和第二纳米线波导2之间。微环谐振腔3分别经过 第一方向禪合器5和第二方向禪合器6,与第一纳米线波导1和第二纳米线波导2发生临界 禪合，即第一纳米线波导1内传输的、满足微环谐振腔3谐振条件的光波经过第一方向禪合 器5禪合进微环谐振腔3,而微环谐振腔3内的谐振波长经过第二方向禪合器6禪合进第二 纳米线波导2,并在其输出端E输出信号。
[0045] 本实施例提供的基于聚合物/InP复合材料体系的垂直禪合微环激光结构的全光 。与"口制作在InP/AWalnAs多量子阱外延晶片上。外延晶片包括;N型InP衬底7、N型 InP下包层8、AlGaInAs多量子阱有源层9、P型InP上包层10 W及P型InGaAs接触层11， 相应的外延晶片结构如图2所示。
[0046] 首先，利用半导体刻蚀技术在外延晶片上制备出单模传输的脊型波导结构的微环 谐振腔3。然后，旋涂聚合物介质12平坦化晶片表面。随后光刻出微环激光器的P型电极 图形窗口，并制备出P型电极13。之后，旋涂低损耗的波导聚合物（如含氣聚醜亚胺（PI)、 改性的聚甲醋丙帰酸甲醋（PMMA)、苯并环下稀炬CB)等），并制备出单模传输的聚合物纳米 线波导和方向禪合器。最后，将N型InP衬底7减薄至150 y m，并在晶片背面制备N型电极 14。制备完成的器件结构如图3所示。
[0047] 在微环激光器的P型电极13和N型电极14间通W合适的电流，使其偏置在仅有 顺时针或逆时针激射模式的单向双稳态。工作时，调整输入信号和控制信号的光波长，使其 与微环激光器的激射波长一致。
[0048] 当控制信号C的光功率大于单个输入信号的低光功率0,且小于单个输入信号的 高光功率1时，两束输入信号A和B经Y分支禪合器4合束到第一纳米线波导1，并经第一 方向禪合器5禪合进微环激光器。
[004引 （1)当两束输入信号的光功率同时为低，即逻辑值同时为"0"时，组合信号D的光 功率小于控制信号C的光功率，微环激光器的激射模式由控制信号C决定，即微环激光器的 激射模式为逆时针，所W第二纳米线波导2输出端E的输出光功率为低，对应的逻辑值为 "0"。
[0050] (2)当两束输入信号的光功率不同时为高，即信号A和B的逻辑值分别为"0"和 "1"或"1"和"0"时，由于此时组合信号D的光功率大于控制信号C的光功率，所W微环激 光器的激射模式由组合信号D决定，即微环激光器的激射模式切换为顺时针，此时第二纳 米线波导2输出端E的输出光功率为高，对应的逻辑值为"1"。
[005。 做当两束输入信号的光功率同时为高，即逻辑值同时为"1"时，禪合进微环激光 器的组合信号D的光功率大于控制信号C的光功率，所W此时微环激光器的激射模式仍由 组合信号D决定，即微环激光器的激射模式为顺时针，第二纳米线波导2输出端E的输出光 功率为高，对应的逻辑值为"1 "。
[0052] 因此，输入信号光功率与输出信号光功率之间的对应关系构成如下所示的"或"逻 辑真值表。
[0053] A [0 [0 Vl Vl B 0 1 0 1 E=AUBO 1 1 1
[0054] 综上所述，输入信号光功率与输出信号光功率之间的对应关系可构成相应的"或" 逻辑关系。
[0055] 其中，实施例1和实施例2中的微环谐振腔3由III - V族化合物半导体材料制作 而成，第一纳米线直波导1、第二纳米线波导2及Y分支禪合器4均采用低损耗、折射率可调 的聚合物材料，第一方向禪合器5和第二方向禪合器6由聚合物/ III - V族化合物半导体 复合材料制作而成。
[0056] 其中，实施例1和实施例2中的第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、微环谐振腔 3和Y分支禪合器4均采用条形或脊型波导结构，上述条形或脊型波导结构均满足单模传输 条件。
[0057] Y分支禪合器4的两个分支作为光信号的输入端口，其输出端口与第一纳米线波 导1的一个端口相连。
[005引微环谐振腔3上制作有P型电极13和N型电极14。微环谐振腔3、P型电极13和 N型电极14都是微环激光器的组成部分，共同实现微环激光器的光激射。
[0059] 微环激光器的N型电极14接地，P型电极13施加合适的偏置电流（通常偏置电流 取阔值电流的2倍），W保证微环激光器工作在仅有顺时针或逆时针激射模式的单向双稳 态。输入信号A和B经Y分支禪合器4合束后形成组合信号D，并传输进第一纳米线波导1 内，控制信号C从第一纳米线波导1的另一端输入。控制信号C和组合信号D经过第一方 向禪合器5禪合进微环激光器。
[0060] 其中，控制信号C决定着组合信号D的开关阔值。调整控制信号C的光功率，W控 制微环激光器的激射模式，微环激光器的激射模式经过第二方向禪合器6禪合进第二纳米 线波导2,通过测量第二纳米线波导2输出端E的输出光功率随输入光信号功率的变化关 系，即可获得相应的"与"口和"或"口逻辑关系。
[0061] 本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的W外，其他器件的型号不做限 巧1|，只要能完成上述功能的器件均可。
[0062] 本领域技术人员可W理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实 施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0063] W上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用W限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于垂直I禹合微环激光器结构的全光与门和或门，其特征在于，包括：在同一 平面内的第一纳米线波导、第二纳米线波导和Y分支耦合器， 所述第一纳米线波导通过第一方向耦合器将输入光信号耦合进微环谐振腔，所述微环 谐振腔经过第二方向耦合器将输出光信号耦合进所述第二纳米线波导；所述第一纳米线波 导和所述第二纳米线波导相互平行；所述微环谐振腔在所述第一纳米线波导和所述第二纳 米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导之间。
2. 根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，其特 征在于，所述Y分支稱合器的两个分支作为光信号的输入端口，输出端口与所述第一纳米 线波导相连。
3. 根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，其特 征在于，所述微环谐振腔上制作有P型电极和N型电极。
4. 根据权利要求1所述的一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，其特 征在于，所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述微环谐振腔和所述Y分支耦合器 均采用条形或脊型波导结构。
【文档编号】G02F3/00GK204129402SQ201420666744
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】谢生, 毛陆虹, 郭婧, 王浩 申请人:天津大学