基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门的制作方法
【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光学双稳态的全光异或逻辑门，第一、第二纳米线波导分别通过第一、第二方向耦合器将输入光信号耦合进第一微环谐振腔，并在其中进行逻辑运算，第一微环谐振腔经过第一方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进第一纳米线波导；第三、第四纳米线波导分别通过第三、第四方向耦合器将输入光信号耦合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，第二微环谐振腔经过第四方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进第四纳米线波导；第一、第四纳米线波导的输出光信号经过第三Y分支耦合器合束后输出。本实用新型可实现高性能、低损耗的全光异或逻辑门；有效缩减器件的横向尺寸，有利于实现高密度的器件集成。
【专利说明】基于垂直閒合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑口
【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 光学双稳态的全光异或逻辑口。
【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。由于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，所W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] 全光异或逻辑口作为光信息处理单元中最重要的逻辑功能之一，它是二进制半加 器及相关逻辑运算单元的基本构件。因此，如何设计高速、低损耗的全光"异或"逻辑口，并 实现它与其他逻辑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"异或"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"异或"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，阐述了其中的 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 现了全光异或逻辑口。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光学双稳态的全光异或逻辑口， 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光学双稳态的全光异或逻辑口，包括：第一 Y分支 禪合器和第二Y分支禪合器，
[0008] 所述第一 Y分支禪合器的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器和第 H衰减器，所述第二Y分支禪合器的合束端接输入信号B，两个分支分别接第二衰减器和第 四衰减器；
[0009] 所述第一衰减器的另一端接第一纳米线波导的输入端，所述第二衰减器的另一端 接第二纳米线波导的输入端，所述第H衰减器的另一端接第H纳米线波导的输入端，所述 第四衰减器的另一端接第四纳米线波导的输入端；
[0010] 所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导分别通过第一方向禪合器和第二方 向禪合器将输入光信号禪合进第一微环谐振腔，并在其中进行相应的逻辑运算，所述第一 微环谐振腔经过所述第一方向禪合器将运算所得的输出光信号禪合进所述第一纳米线波 导；
[0011] 所述第H纳米线波导和所述第四纳米线波导分别通过第H方向禪合器和第四方 向禪合器将输入光信号禪合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，所述第二微环谐 振腔经过所述第四方向禪合器将运算所得的输出光信号禪合进所述第四纳米线波导；
[0012] 所述第一纳米线波导和所述第四纳米线波导的输出光信号经过第H Y分支禪合 器合束后输出。
[0013] 所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第H纳米线波导、所述第四纳米 线波导、所述第一 Y分支禪合器、所述第二Y分支禪合器及所述第H Y分支禪合器在同一平 面内。
[0014] 所述第一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；所述第二微环谐振腔在 所述第H纳米线波导和所述第四纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第H纳米线波 导和所述第四纳米线波导之间。
[0015] 所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第H纳米线波导、所述第四纳米 线波导、所述第一微环谐振腔、所述第二微环谐振腔、所述第一 Y分支禪合器、所述第二Y分 支禪合器、所述第H Y分支禪合器和均采用条形或脊型波导结构。
[0016] 每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极和N型电极，第一微环谐振腔、相应 的P型电极和N型电极构成第一微环激光器，第二微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极 构成第二微环激光器。
[0017] 本实用新型提供的技术方案的有益效果是：
[0018] 1、本实用新型利用微环激光器的光学双稳态特性，实现了全光异或的逻辑功能。
[0019] 2、采用垂直禪合微环激光器结构实现的全光异或逻辑口属于H维集成器件，可有 效缩减器件的横向尺寸，有利于实现器件的高密度集成。
[0020] 3、采用本技术方案实现的全光异或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】
[0021] 图1为一种基于垂直禪合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑口的结构示意 图；
[0022] 图2为垂直禪合微环激光器的H维示意图。
[0023] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0024] 1 ;第一纳米线波导； 2 ;第二纳米线波导；
[002引 3;第H纳米线波导； 4;第四纳米线波导；
[0026] 5 ;第一微环谐振腔； 6 ;第二微环谐振腔；
[0027] 7 ;第一方向禪合器； 8 ;第二方向禪合器；
[0028] 9 ;第H方向禪合器； 10 ;第四方向禪合器；
[0029] 11 ;第一 Y分支禪合器； 12 ;第二Y分支禪合器；
[0030] 13 :第；Y分支禪合器； 14 ;第一衰减器；
[003。 15;第二衰减器； 16;第H衰减器；
[003引 17 ;第四衰减器； 18 ;P型电极；
[0033] 19 ;N 型电极； 20 ;N 型 InP 衬底；
[0034] 21 ;N型InP下包层； 22 =AlGaInAs多量子阱有源 层；
[003引 23 ;P型InP上包层； 24 JnGaAs接触层；
[0036] 25 ;平坦化聚合物介质；
【具体实施方式】
[0037] 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。
[0038] 与侧向禪合结构的微环激光器不同的是，垂直禪合结构的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。
[0039] 本实用新型提供了一种基于垂直禪合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑口 结构，参见图1，该结构包括第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、第H纳米线波导3、第四 纳米线波导4、第一微环谐振腔5、第二微环谐振腔6、第一方向禪合器7、第二方向禪合器8、 第H方向禪合器9、第四方向禪合器10、第一 Y分支禪合器11、第二Y分支禪合器12、第H Y分支禪合器13、第一衰减器14、第二衰减器15、第H衰减器16、第四衰减器17。
[0040] 其中，第一纳米线波导1、第二纳米线波导2、第H纳米线波导3、第四纳米线波导 4、第一 Y分支禪合器11、第二Y分支禪合器12及第H Y分支禪合器13在同一平面内。
[0041] 为使器件结构紧凑，同时避免第二纳米线波导2和第H纳米线波导3之间发生禪 合，二者之间的距离W 5?10 y m为宜。第一微环谐振腔5在第一纳米线波导1和第二纳 米线波导2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。第二 微环谐振腔6在第H纳米线波导3和第四纳米线波导4下面的相邻平面内，且位于第H纳 米线波导3和第四纳米线波导4之间。
[0042] 第一 Y分支禪合器11的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器14和 第H衰减器16,第二Y分支禪合器12的合束端接输入信号B，两个分支分别结第二衰减器 15和第四衰减器17。第一衰减器14的另一端接第一纳米线波导1的输入端II，第二衰减 器15的另一端接第二纳米线波导2的输入端12,第H衰减器16的另一端结第H纳米线波 导3的输入端13,第四衰减器17的另一端接第四纳米线波导4的输入端14。第一纳米线 波导1和第二纳米线波导2分别通过第一方向禪合器7和第二方向禪合器8将输入光信号 禪合进第一微环谐振腔5,并在其中进行相应的逻辑运算，第一微环谐振腔5经过第一方向 禪合器7将运算所得的输出光信号禪合进第一纳米线波导1。第H纳米线波导3和第四纳 米线波导4分别通过第H方向禪合器9和第四方向禪合器10将输入光信号禪合进第二微 环谐振腔6,并进行相应的逻辑运算，而第二微环谐振腔6经过第四方向禪合器10将运算所 得的输出光信号禪合进第四纳米线波导4。第一纳米线波导1和第四纳米线波导4的输出 光信号经过第H Y分支禪合器13合束后，在Ou化Ut端输出。
[0043] 上述方案中，第一微环谐振腔5、第二微环谐振腔6包括由脊型波导或条形波导构 成的任意闭合环路。参见图2,每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极18和N型电 极19。微环形谐振腔、P型电极18和N型电极19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。其中，第一微环谐振腔5、相应的P型电极18和N型电极19构成第一 微环激光器S化1，第二微环谐振腔6、相应的P型电极18和N型电极19构成第二微环激光 器S化2。
[0044] 上述方案中，第一微环激光器S化1、第二微环激光器S化2的N型电极接地，P型电 极施加合适的偏置电流，W保证第一微环激光器S化1、第二微环激光器S化2工作在仅有顺 时针或逆时针激射模式的单向双稳态。
[0045] 其中，输入信号A经第一 Y分支禪合器11分束后，形成两路信号，两路信号分别经 第一衰减器14和第H衰减器16衰减后，分别输入第一纳米线波导1和第H纳米线波导3。 输入信号B经第二Y分支禪合器12分束后，也形成两路信号，该两路信号经第二衰减器15 和第四衰减器17衰减后，分别输入第二纳米线波导2和第四纳米线波导4。
[0046] 调整第一衰减器14和第二衰减器15的衰减量，使第一微环激光器S化1输入端Il 和12的光功率满足条件；1bi〉1ai〉〇bi〉〇ai (即信号B逻辑"1"的光功率大于信号A逻辑"1" 的光功率，信号A逻辑"1"的光功率大于信号B逻辑"0"的光功率，信号B逻辑"0"的光功 率大于信号A逻辑"0"的光功率）。
[0047] (1)当信号B的光功率为逻辑"1"时，不论信号A光功率的逻辑电平为"1"或"0"， 第一微环激光器S化1的激射模式由信号B控制，即第一微环激光器S化1的激射模式为逆 时针，此时第一纳米线波导1输出低功率，即逻辑值为"0"。
[004引 似当信号B的光功率为逻辑"0"，信号A的光功率也为逻辑"0"时，由于信号B 低电平的光功率大于信号A低电平的光功率，所W第一微环激光器SRLl的激射模式维持不 变，此时第一纳米线波导1的输出仍为低功率，即逻辑值为"0"。
[004引做只有当信号B的光功率为逻辑"0"，信号A的光功率为逻辑"1"时，第一微环 激光器S化1的激射模式才由信号A控制，即第一微环激光器S化1的激射模式从逆时针切 换为顺时针，此时第一纳米线波导1输出高功率，即逻辑值为"1"。
[0050] 因此，输入信号的光功率与第一纳米线波导1的输出信号光功率之间的对应关系 构成如下所示的^ J逻辑真值表。
[0051] AOlOl BllOO D\ = aJ OOOl
[0052] 调整第H衰减器16和第四衰减器17的衰减量，使第二微环激光器S化2的输入端 13和14的输入光功率满足条件；lA2〉le2〉〇A2〉〇B2 (即信号A的"1 "逻辑光功率大于信号B的 "I"逻辑光功率，且信号B的"I"逻辑光功率大于信号A的"0"逻辑光功率，信号A的"0" 逻辑光功率大于信号B的"0"逻辑光功率）。
[005引（1)当信号A的光功率为逻辑"1"时，不论信号B的光功率逻辑为"1"或"0"，第 二微环激光器S化2的激射模式由信号A控制，即第二微环激光器S化2的激射模式为顺时 针，此时第四纳米线波导4输出低功率，即逻辑值为"0"。
[0054] 似当信号A的光功率为逻辑"0"，信号B的光功率逻辑为"0"时，由于信号A的 "0"逻辑光功率大于信号B的"0"逻辑光功率，所W第二微环激光器S化2的激射模式维持 不变，此时第四纳米线波导4的输出仍为低功率，即逻辑值为"0"。
[005引做只有当信号A的光功率为逻辑"0"，信号B的光功率逻辑为"1"时，第二微环 激光器S化2的激射模式才由信号B控制，即第二微环激光器S化2的激射模式从顺时针切 换为逆时针，此时第四纳米线波导4输出高功率，即逻辑值为"1"。因此，第二微环激光器 S化2的输入信号光功率与第四纳米线波导4的输出信号光功率之间的对应关系构成如下 所示的品逻辑真值表。
[0056]
【权利要求】
1. 一种基于垂直稱合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门，其特征在于，包括： 第一 Y分支稱合器和第二Y分支稱合器， 所述第一 Y分支耦合器的合束端接输入信号A，两个分支分别接第一衰减器和第三衰 减器，所述第二Y分支耦合器的合束端接输入信号B，两个分支分别接第二衰减器和第四衰 减器； 所述第一衰减器的另一端接第一纳米线波导的输入端，所述第二衰减器的另一端接第 二纳米线波导的输入端，所述第三衰减器的另一端接第三纳米线波导的输入端，所述第四 衰减器的另一端接第四纳米线波导的输入端； 所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导分别通过第一方向耦合器和第二方向耦 合器将输入光信号耦合进第一微环谐振腔，并在其中进行相应的逻辑运算，所述第一微环 谐振腔经过所述第一方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第一纳米线波导； 所述第三纳米线波导和所述第四纳米线波导分别通过第三方向耦合器和第四方向耦 合器将输入光信号耦合进第二微环谐振腔，并进行相应的逻辑运算，所述第二微环谐振腔 经过所述第四方向耦合器将运算所得的输出光信号耦合进所述第四纳米线波导； 所述第一纳米线波导和所述第四纳米线波导的输出光信号经过第三Y分支耦合器合 束后输出。
2. 根据权利要求1所述的一种基于垂直稱合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑 门，其特征在于， 所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波 导、所述第一 Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器及所述第三Y分支耦合器在同一平面 内。
3. 根据权利要求1所述的一种基于垂直稱合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑 门，其特征在于， 所述第一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；所述第二微环谐振腔在所述 第三纳米线波导和所述第四纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第三纳米线波导和 所述第四纳米线波导之间。
4. 根据权利要求1所述的一种基于垂直稱合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑 门，其特征在于， 所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述第三纳米线波导、所述第四纳米线波 导、所述第一微环谐振腔、所述第二微环谐振腔、所述第一 Y分支耦合器、所述第二Y分支耦 合器和所述第三Y分支耦合器均采用条形或脊型波导结构。
5. 根据权利要求1所述的一种基于垂直稱合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑 门，其特征在于， 每个微环形谐振腔上都制作有相应的P型电极和N型电极，第一微环谐振腔、相应的P 型电极和N型电极构成第一微环激光器，第二微环谐振腔、相应的P型电极和N型电极构成 第二微环激光器。
【文档编号】G02F3/00GK204129403SQ201420667851
【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