一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法

1.本发明涉及光学逻辑器件，具体涉及一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法。


背景技术：

2.目前常用的逻辑器件均是基于电子回路，而对于电子逻辑器件来说，一方面由于电路的实现依靠电子的运动，电子在运动中会产生碰撞，从而产生大量热能和损耗，无法实现超高密度集成的芯片，导致摩尔定律失效，且集成度越高，能耗就越高；另一方面，电子作为电子芯片的信息载体，由于运动速度受到限制，其实现的计算处理速率仅能达到gb/s的量级，远不够现今阶段日益增长的计算速率需求。因此，对于信息计算来说，急需超高计算速率和低能耗的新型芯片。光子作为另外一种信息传送的载体，在媒介中的运动速度为光速的量级，由于其超快的传播速度，光子信息处理器的传输速率可达1000tb/s；此外，光子之间不存在相互运动，没有热损耗及并行计算时易串扰的问题。在电子数字逻辑器件中，依靠二极管、三极管和电阻来实现与、或、非这三种基本逻辑运算，以及有这三种基本逻辑运算排列组合后的异或、与非等其他逻辑运算，但是正如上面所说，电子逻辑运算的传输速率低，并且由于热耗散巨大不利于大规模集成。发展到光学逻辑回路中，通过调控光从入射端到出射端的强度大小，一般来说，认为光强大的地方为逻辑信号“1”，光强弱的地方为信号“0”，从而实现数字逻辑编码以及超快信息传输速率；并且由于光子低损耗的特性，可以制作大规模集成芯片。对于目前光学回路来说，单一结构功能的数字逻辑器件，比如仅实现非门、或门以及异或门等的器件，只需要把光信号加载到输入耦合端，从输出耦合端探测信号光强。在这一探测过程中，光学信号仅在设计波导上传输，不受到额外电压或热源的影响。然而在可以实现多功能数字逻辑器件的光学结构中，一般采用可重构光学回路，通过电压调控或者热敏调控，改变光学结构下载流子的浓度，从而实现光学结构等效折射率的变化，达到对光束光程差(相位)的调控，由此便可在一个集成光学结构中实现多功能数字逻辑运算。虽然可重构体系可以实现多功能逻辑运算，但对压电调控或者热光调控仍需要一定的反应时间，才能够把信息完整加载在光学回路中，这也大大降低了信息传输速率，不利于具有超快运算功能的集成光学芯片的实现。
3.光学逻辑器件通常是利用人工微纳结构，包括光子晶体、微腔、等离激元超表面等组成光学器件的基本单元。受到微纳加工精度的局限性，样品加工及制备上可能会发生一些不可预测的误差，比如器件中的缺陷和杂质将会引起光的强烈的背向散射，导致光损耗增加，需要不断提高入射光光强以达到区别逻辑信号“0”和“1”的目的，从而严重影响器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导不能适应大角度的弯折，微腔需要配合光学波导或光子晶体使用，等离激元超表面很难做到1550nm的通讯波段等，这些也限制了其在光信息处理器件中的应用。


技术实现要素：

4.为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法，利用拓扑光子边界态具有鲁棒性和抗背散射性，调控基于ssh(su-schrieffer-heeger)苏
·
施里弗
·
希格模型的拓扑光子晶体，控制拓扑边界态的产生和消失，从而能够对不同调控结果数字逻辑进行编码；此外，运用非线性钛酸锶复合薄膜材料制成ssh缺陷腔，实现全光调控。
5.本发明的一个目的在于提出一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件。
6.本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件包括：衬底、α构型拓扑光子晶体、β构型拓扑光子晶体、激发光和泵浦光；其中，在基底上形成一维的α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体，α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的二维边界尺寸相同；
7.在基底上生长二维均匀分布的柱体，柱体的横截面的形状为中心对称的形状，柱体包括正常柱体和缺陷柱体，缺陷柱体的横截面尺寸大于正常柱体的横截面尺寸，缺陷柱体构成缺陷腔；缺陷腔成对出现，一对缺陷腔构成一个缺陷单元；缺陷单元内的两个缺陷腔之间以及相邻的两个缺陷单元之间至少存在一个正常柱体且少于三个正常柱体，相邻的缺陷单元之间的距离相等；缺陷单元内的一对缺陷腔斜向分布，即一对缺陷腔不位于二维均匀分布的柱体的同一行或同一列上，构成α构型拓扑光子晶体，在α构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元关于镜像对称分布；缺陷单元内的一对缺陷腔横向分布，即一对缺陷腔位于二维均匀分布的柱体的同一行上，构成β构型拓扑光子晶体，在β构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元分列β构型拓扑光子晶体的中心线的上下两侧且距离中心线的距离相等；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体沿行的方向进行拼接，拼接处相邻的两列柱体之间的距离等于晶格常数；在共振时，缺陷单元内部发生相互作用的耦合强度小于单元之间的耦合强度，构成ssh模型，从而α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体产生局域边界态，即光场局域在α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体的最两端的缺陷腔上；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体对应的共振波长不同，激发光垂直照射到α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体表面，当发生水平模式共振时，即激发光的波长为α构型拓扑光子晶体的共振波长时，α构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，β构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；同样，当发生对角模式共振时，即激发光的波长为β构型拓扑光子晶体的共振波长时，β构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，α构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；从而实现通过激发光激发产生拓扑非平凡晶体；发生水平模式共振即α构型拓扑光子晶体产生局域边界态且β构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体时，或者发生对角模式共振即α构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体且β构型拓扑光子晶体产生局域边界态时，二者拼接处有光场；
8.进一步，正常柱体和缺陷柱体的材料采用非线性材料，具有三阶非线性的光克尔效应，即材料的等效折射率线性地随泵浦光的强度变化；泵浦光垂直照射到α构型拓扑光子晶体时，α构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得α构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；反之，泵浦光垂直照射到β构型拓扑光子晶体时，β构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得β构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；
9.激发光垂直照射发生水平模式共振或对角模式共振；以α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体是否有泵浦光照射作为输入信号，以α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的拼接处有无光场作为输出信号，从而实现逻辑转换。
10.激发光垂直照射发生对角模式共振，且缺陷腔的光克尔系数为负时，即β构型拓扑光子晶体处于局域边界态同时α构型拓扑光子晶体的状态为拓扑平凡晶体，二者拼接处有光场；当α构型拓扑光子晶体有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射即输入为10时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，β构型拓扑光子晶体依旧处于拓扑非平凡晶体，此时α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体相连构成整体结构，整体结构成为拓扑非平凡晶体，产生的局域边界态出现在整体结构的两端，因此拼接处没有局域边界态，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体有泵浦光照射即输入为01时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体同时有泵浦光照射即输入为11时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，局域边界态产生，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，拼接处有光场即输出为1；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体都没有泵浦光照射即输入为00时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体依旧具有局域态，拼接处有光场即输出为1；从而实现二输入单输出的全光逻辑同或门。
11.激发光垂直照射发生水平模式共振，且缺陷腔的光克尔系数为正时，即α构型拓扑光子晶体处于局域边界态同时β构型拓扑光子晶体的状态为拓扑平凡晶体，二者拼接处有光场；当α构型拓扑光子晶体有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射即输入为10时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平非凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，β构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体有泵浦光照射即输入为01时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑非平凡晶体，β构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，此时α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体相连构成整体结构，整体结构成为拓扑非平凡晶体，产生的局域边界态出现在整体结构的两端，因此拼接处没有局域边界态，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体同时有泵浦光照射即输入为11时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平非凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，β构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，局域边界态产生，拼接处有光场即输出为1；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体都没有泵浦光照射即输入为00时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑非平凡晶体，具有局域边界态，β构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，拼接处有光场即输出为1；从而实现二输入单输出的全光逻辑同或门。
12.基底采用在通讯波段损耗较低的双面抛光材料，如双面抛光的硅基板。
13.正常柱体组成的光子晶体，相邻两个正常柱体的距离称为晶格常数，晶格常数为激发光的波长的0.3～0.6倍之间；在本发明选择的通讯波段1550nm激发波长下，晶格常数为465nm～930nm之间；正常柱体的横截面尺寸为0.1～0.3倍的晶格常数。缺陷柱体的横截面尺寸为0.5倍的晶格常数，高度与正常柱体一致，为220nm～500nm。缺陷柱体的横截面尺寸大小由于受到拓扑保护，在晶格常数和正常柱体横截面尺寸确定后，其亦可有正负0.1倍
晶格常数的误差，即缺陷柱体的横截面尺寸为0.4～0.6的晶格常数；晶格常数根据激发波长的范围进行调整。
14.正常柱体和缺陷柱体采用非线性的钛酸锶复合材料、碲化铋拓扑材料和介质硅材料中的一种。
15.本发明的另一个目的在于提出一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的实现方法。
16.本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的实现方法，包括以下步骤：
17.1)全光数字逻辑器件制备：
18.在基底上生长二维均匀分布的柱体，柱体的横截面的形状为中心对称的形状，柱体包括正常柱体和缺陷柱体，缺陷柱体的横截面尺寸大于正常柱体的横截面尺寸，缺陷柱体构成缺陷腔；缺陷腔成对出现，一对缺陷腔构成一个缺陷单元；缺陷单元内的两个缺陷腔之间以及相邻的两个缺陷单元之间至少存在一个正常柱体且少于三个正常柱体，相邻的缺陷单元之间的距离相等；缺陷单元内的一对缺陷腔斜向分布，即一对缺陷腔不位于二维均匀分布的柱体的同一行或同一列上，构成α构型拓扑光子晶体，在α构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元关于镜像对称分布；缺陷单元内的一对缺陷腔横向分布，即一对缺陷腔位于二维均匀分布的柱体的同一行上，构成β构型拓扑光子晶体，在β构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元分列β构型拓扑光子晶体的中心线的上下两侧且距离中心线的距离相等；
19.2)在共振时，缺陷单元内部发生相互作用的耦合强度小于单元之间的耦合强度，构成ssh模型，从而α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体产生局域边界态，即光场局域在α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体的最两端的缺陷腔上；
20.α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体对应的共振波长不同，激发光垂直照射到α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体表面；
21.当发生水平模式共振时，即激发光的波长为α构型拓扑光子晶体的共振波长时，α构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，β构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；
22.同样，当发生对角模式共振时，即激发光的波长为β构型拓扑光子晶体的共振波长时，β构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，α构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；从而实现通过激发光激发产生拓扑非平凡晶体；
23.发生水平模式共振即α构型拓扑光子晶体产生局域边界态且β构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体时，或者发生对角模式共振即α构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体且β构型拓扑光子晶体产生局域边界态时，二者拼接处有光场；
24.3)进一步，正常柱体和缺陷柱体的材料采用非线性材料，具有三阶非线性的光克尔效应，即材料的等效折射率线性地随泵浦光的强度变化；泵浦光垂直照射到α构型拓扑光子晶体时，α构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得α构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；反之，泵浦光垂直照射到β构型拓扑光子晶体时，β构型拓扑光子晶体的等效折射率改变，从而共振波长改变，使得β构型拓扑光子晶体在拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体之间转换；
25.4)激发光垂直照射发生水平模式共振或对角模式共振；以α构型拓扑光子晶体和β
构型拓扑光子晶体是否有泵浦光照射作为输入信号，以α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的拼接处有无光场作为输出信号，从而实现逻辑转换。
26.其中，激发光垂直照射发生对角模式共振，且缺陷腔的光克尔系数为负时，即β构型拓扑光子晶体处于局域边界态同时α构型拓扑光子晶体的状态为拓扑平凡晶体，二者拼接处有光场；当α构型拓扑光子晶体有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射即输入为10时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，β构型拓扑光子晶体依旧处于拓扑非平凡晶体，此时α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体相连构成整体结构，整体结构成为拓扑非平凡晶体，产生的局域边界态出现在整体结构的两端，因此拼接处没有局域边界态，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体有泵浦光照射即输入为01时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体同时有泵浦光照射即输入为11时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，局域边界态产生，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，拼接处有光场即输出为1；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体都没有泵浦光照射即输入为00时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体依旧具有局域态，拼接处有光场即输出为1；从而实现二输入单输出的全光逻辑同或门。
27.激发光垂直照射发生水平模式共振，且缺陷腔的光克尔系数为正时，即α构型拓扑光子晶体处于局域边界态同时β构型拓扑光子晶体的状态为拓扑平凡晶体，二者拼接处有光场；当α构型拓扑光子晶体有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射即输入为10时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平非凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，β构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体有泵浦光照射即输入为01时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑非平凡晶体，β构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，此时α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体相连构成整体结构，整体结构成为拓扑非平凡晶体，产生的局域边界态出现在整体结构的两端，因此拼接处没有局域边界态，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体同时有泵浦光照射即输入为11时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平非凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，β构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体，局域边界态产生，拼接处有光场即输出为1；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体都没有泵浦光照射即输入为00时，α构型拓扑光子晶体依旧为拓扑非平凡晶体，具有局域边界态，β构型拓扑光子晶体依旧为拓扑平凡晶体，拼接处有光场即输出为1；从而实现二输入单输出的全光逻辑同或门。
28.进一步，采用滤波器和ccd相机，α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体的拼接处的光场，α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体拼接处透射的光场经滤波器滤波后，由ccd接收，得到拼接处有光场度来判断是否存在拓扑边界态。
29.本发明的优点：
30.本发明采用一维的α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体，实现局域边界态，具有整体的拓扑保护特性，对杂质或缺陷的不敏感性，即鲁棒性，这将大大提升器件的传输性能；利用超快响应的非线性材料形成缺陷腔，以泵浦光的有无作为输入，改变α构型和β构
型拓扑光子晶体的等效折射率，从而改变α构型和β构型拓扑光子晶体的状态，以二者拼接处有无光场作为输出信号，从而实现全光数字逻辑器件的运算功能；本发明通过拓扑边界态实现了具有鲁棒性的逻辑转化，具有拓扑保护的功能，大大降低了光损耗；通过非线性全光效应大大减少了逻辑运算的时间，有利于大规模的片上集成。
附图说明
31.图1为本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的一个实施例的α构型拓扑光子晶体、β构型拓扑光子晶体的示意图，其中，(a)为α构型拓扑光子晶体的示意图，(b)为β构型拓扑光子晶体的示意图；
32.图2为本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的一个实施例的非线性调控实现方法图；
33.图3为本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的一个实施例的拼接方式的示意图；
34.图4为本发明的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件的一个实施例实现逻辑运算的示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
36.如图1所示，本实施例的基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件包括：衬底、α构型拓扑光子晶体、β构型拓扑光子晶体、激发光和泵浦光；其中，在基底上形成一维的α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体，α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体的二维边界尺寸相同；
37.在基底上生长二维均匀分布的柱体，柱体的横截面的形状为中心对称的形状，柱体包括正常柱体和缺陷柱体，缺陷柱体的横截面尺寸大于正常柱体的横截面尺寸，缺陷柱体构成缺陷腔；缺陷腔成对出现，一对缺陷腔构成一个缺陷单元，如图1中虚线椭圆框所示；缺陷单元内的两个缺陷腔之间以及相邻的两个缺陷单元之间至少存在一个正常柱体且少于三个正常柱体，相邻的缺陷单元之间的距离相等；缺陷单元内的一对缺陷腔斜向分布，即一对缺陷腔不位于二维均匀分布的柱体的同一行或同一列上，构成α构型拓扑光子晶体，在α构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元关于镜像对称分布；缺陷单元内的一对缺陷腔横向分布，即一对缺陷腔位于二维均匀分布的柱体的同一行上，构成β构型拓扑光子晶体，在β构型拓扑光子晶体中，相邻的缺陷单元分列β构型拓扑光子晶体的中心线的上下两侧且距离中心线的距离相等；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体沿行的方向进行拼接，即α构型拓扑光子晶体的一行柱体与β构型拓扑光子晶体相应的一行柱体对齐，如图4所示，α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体的拼接处相邻的两列柱体之间的距离等于晶格常数，使得拼接后的整体为正常光子晶体结构；在共振时，缺陷单元内部发生相互作用的耦合强度小于单元之间的耦合强度，从而α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体产生局域边界态，即光场局域在α构型拓扑光子晶体或β构型拓扑光子晶体的最两端的缺陷腔上；α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体对应的共振波长不同，激发光垂直照射到α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体表面，当发生水平模式共振时，即激发光的波长为α构型拓扑光
子晶体的共振波长时，α构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，β构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；同样，当发生对角模式共振时，即激发光的波长为β构型拓扑光子晶体的共振波长时，β构型拓扑光子晶体发生共振，状态为拓扑非平凡晶体，产生局域边界态，此时，α构型拓扑光子晶体没有发生共振，状态为拓扑平凡晶体；从而实现通过激发光激发产生拓扑非平凡晶体；发生水平模式共振即α构型拓扑光子晶体产生局域边界态且β构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体时，或者发生对角模式共振即α构型拓扑光子晶体处于拓扑平凡晶体且β构型拓扑光子晶体产生局域边界态时，二者拼接处有光场。
38.如图2所示，区域i和区域ii分别表示泵浦光照射两种构型后，构型所呈现的拓扑非平凡晶体和拓扑平凡晶体两种状态。正常柱体和缺陷柱体的材料采用非线性材料，具有三阶非线性的光克尔效应，光克尔系数小于零，当α构型拓扑光子晶体原本处于对角模式共振m
diag
时的拓扑平凡晶体，加了泵浦光后α构型拓扑光子晶体则处于水平模式共振m
xy
，此时产生拓扑边界态，如图2中i所示。同理，β构型拓扑光子晶体原本处于对角模式共振m
diag
的拓扑非平凡晶体，加了泵浦光后β构型拓扑光子晶体则处于水平模式共振m
xy
下的拓扑平凡晶体，如图2中ii所示，恰好与α构型拓扑光子晶体相反，这大大增加能够调控的逻辑比特的自由度。
39.如图3所示，α构型光子晶体和β构型光子晶体沿着行的方向进行拼接。如图4所示，激发光垂直照射发生对角模式共振，且缺陷腔的光克尔系数n
kerr
为负时，即β构型拓扑光子晶体处于拓扑非平凡晶体β+具有局域边界态同时α构型拓扑光子晶体的状态为拓扑平凡晶体α-，二者拼接处有光场；当α构型拓扑光子晶体有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射即输入i为10时，α构型拓扑光子晶体由拓扑平凡晶体转换为拓扑非平凡晶体α+，β构型拓扑光子晶体依旧处于拓扑非平凡晶体，此时α构型拓扑光子晶体与β构型拓扑光子晶体相连构成整体结构，整体结构成为拓扑非平凡晶体，产生的局域边界态出现在整体结构的两端，因此拼接处没有局域边界态，局域边界态产生，拼接处无光场即输出o为0；当α构型拓扑光子晶体没有泵浦光照射而β构型拓扑光子晶体有泵浦光照射即输入为01时，α构型拓扑光子晶体为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体β-，局域边界态消失，拼接处无光场即输出为0；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体同时有泵浦光照射即输入为11时，α构型拓扑光子晶体局域边界态产生，β构型拓扑光子晶体由拓扑非平凡晶体转换为拓扑平凡晶体，局域边界态消失，拼接处有光场即输出为1；当α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体都没有泵浦光照射即输入为00时，α构型拓扑光子晶体为拓扑平凡晶体，β构型拓扑光子晶体具有局域态，拼接处无光场即输出为1；从而实现二输入单输出的全光逻辑同或门。
40.激发波长为通讯波段1550nm，相邻两个正常柱体的距离即晶格常数为500nm；正常柱体的横截面尺寸为0.2倍的晶格常数，即100nm，高度为300nm；缺陷柱体的横截面尺寸为0.5倍的晶格常数，即250nm，高度与正常柱体一致为300nm；正常柱体和缺陷柱体的材料采用钛酸锶复合材料；实现泵浦光频率通道中拓扑状态变化所需的折射率为0.017，这个变化是比较小的，在过渡金属氧化物非线性的研究中，掺纳米金颗粒的多晶钛酸锶复合材料的克尔系数n
kerr
约为-2.3
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10-8
cm2/w，所以以该材料制备缺陷腔，实现光泵浦过程的泵浦光功率只要74kw/cm2，这个量级的泵浦光功率在现实中是可实现的。
41.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。