光子晶体全光多步延迟自或变换逻辑门的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及二维光子晶体、光学或逻辑门
【背景技术】
[0002]1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和Princeton大学的S.John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体(PhotonicCrystal)的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通常由两种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。
[0003]随着光子晶体的提出和深入研宄，人们可以更灵活、更有效地控制光子在光子晶体材料中的运动。在与传统半导体工艺和集成电路技术相结合下，人们通过设计与制造光子晶体及其器件不断的往全光处理飞速迈进，光子晶体成为了光子集成的突破口。1999年12月，美国权威杂志《科学》将光子晶体评为1999年十大科学进展之一，也成为了当今科学研宄领域的一个研宄热点。
[0004]全光逻辑器件主要包括基于光放大器的逻辑器件、非线性环形镜逻辑器件、萨格纳克干涉式逻辑器件、环形腔逻辑器件、多模干涉逻辑器件、耦合光波导逻辑器件、光致异构逻辑器件、偏振开关光逻辑器件、传输光栅光逻辑器件等。这些光逻辑器件对于发展大规模集成光路来说都有体积大的共同缺点。随着近年来科学技术的提高，人们还发展研宄出了量子光逻辑器件、纳米材料光逻辑器件和光子晶体光逻辑器件，这些逻辑器件都符合大规模光子集成光路的尺寸要求，但对于现代的制作工艺来说，量子光逻辑器件与纳米材料光逻辑器件在制作上存在很大的困难，而光子晶体光逻辑器件则在制作工艺上具有竞争优势。
[0005]近年来，光子晶体逻辑器件是一个备受瞩目的研宄热点，它极有可能在不久将来取代目前正广泛使用的电子逻辑器件。光子晶体逻辑器件可直接进行全光的“与”、“或”、“非”等逻辑功能，是实现全光计算的核心器件，在实现全光计算的进程中，基于“与”、“或”、“非”、“异或”等光子晶体逻辑功能器件已经被成功设计研宄，而实现全光计算的目标仍需要各种各样复杂的逻辑元器件。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、抗干扰能力强，且易与其它光学逻辑元件实现集成的光子晶体全光多步延迟自或变换逻辑门。
[0007]本发明的目的通过下列技术方案予以实现。
[0008]本发明的光子晶体全光多步延迟自或变换逻辑门由一个光开关单元、一个光子晶体结构单元、一个参考光源、一个存储器或延迟器、一个D触发器单元和一个吸波负载组成；逻辑信号X通过一个二分支波导的输入端连接，其两个输出端分别与存储器输入端和光开关单元的逻辑信号输入端连接；所述存储器输出端与光开关单元的延迟信号输入端连接；所述参考光源与光开关单元的参考光输入端连接；所述光开关单元的三个中间信号输出端分别与光子晶体结构单元的第一、二中间信号输入端和吸波负载连接；时钟控制信号CP通过另一个二分支波导的输入端分别与光开关单元的时钟信号CP输入端和D触发器单元的时钟信号输入端连接；所述光子晶体结构单元的输出端与D触发器单元的D信号输入端连接。
[0009]所述的光开关单元为3X3光选通开关，它由一个时钟信号CP输入端、一个延迟信号输入端、一个逻辑信号输入端、一个参考光输入端和三个中间信号输出端组成；所述三个中间信号输出端分别为第一中间信号输出端、第二中间信号输出端、第三中间信号输出端。
[0010]所述光子晶体结构单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，它由高折射率介质杆构成二维的光子晶体“十”字交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端、下端、上端、右端分别为第一中间信号输入端、第二中间信号输入端、信号输出端、闲置端；通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在交叉波导的中部设置中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料，所述中间介质柱的横截面为正方形、圆形、椭圆形、三角形或者多边形；紧贴中心非线性杆且靠近信号输出端的一根矩形线性杆的介电常数与中心非线性杆在弱光条件下的介电常数相等；所述准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。
[0011]所述的存储器或延迟器由一个输入端和一个输出端组成；所述存储器的输出信号为k步之前输入存储器的输入信号。
[0012]所述的存储器或延迟器为k步延迟的存储器或延迟器。
[0013]所述的D触发器单元由一个时钟信号输入端、一个D信号输入端和一个系统输出端组成；所述D信号输入端的输入信号与光子晶体结构单元输出端的输出信号相等。
[0014]所述的二维光子晶体为(2k+l) X (2k+l)结构，其中k为大于等于3的整数。
[0015]所述二维光子晶体的高折射率介质柱的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者多边形。
[0016]所述二维光子晶体的背景填充材料为空气或者折射率小于1.4的低折射率介质。
[0017]所述交叉波导中的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为3.4或大于2的值，且所述准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为矩形、多边形、圆形或者椭圆形。
[0018]本发明与现有技术相比的积极有益效果是:
[0019]1.结构紧凑，易于制作；
[0020]2.抗干扰能力强，易与其它光学逻辑元件集成；
[0021]3.具有高、低逻辑输出对比度高，运算速度快。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的光子晶体全光多步延迟自或变换逻辑门的结构示意图；
[0023]图2为图1所示光子晶体结构单元在晶格常数d = I μ m，工作波长为2.976 μ m的基本逻辑功能波形图；
[0024]图3为本发明的光子晶体全光多步延迟自或逻辑门在晶格常数d = 0.5208 μ m，工作波长为1.55 μπι的逻辑信号多步延迟自或变换逻辑功能的波形图；
[0025]图4为图1所示二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑功能真值表。
[0026]图中:光开关单元01延迟信号输入端11逻辑信号输入端12参考光输入端13第一中间信号输出端14第二中间信号输出端15第三中间信号输出端16光子晶体结构单元02第一中间信号输入端21第二中间信号输入端22闲置端23信号输出端24圆形高折射率线性介质杆25第一长方形高折射率线性介质杆26第二长方形高折射率线性介质杆27中心非线性介质杆28参考光源03参考光E存储器04时钟控制信号CP D触发器单元05时钟信号输入端51 D信号输入端52系统输出端53吸波负载06
【具体实施方式】
[0027]如图4所示，本发明的光子晶体全光多步延迟自或变换逻辑门由一个光开关单元
01、一个光子晶体结构单兀02、一个参考光源03、一个存储器或延迟器04、一个D触发器单元05和一个吸波负载06组成；光开关单元01为一个由时钟信号CP控制的3X3光选通开关，用于控制选择逻辑信号进行输出，它由一个时钟信号CP输入端、一个延迟信号输入端、一个逻辑信号输入端、一个参考光输入端、三个中间信号输出端组成，三个中间信号输出端分别为第一中间信号输出端、第二中间信号输出端、第三中间信号输出端。存储器或延迟器04由一个输入端和一个输出端组成；逻辑信号X连接到一个二分支波导的输入端，二分支波导的一个输出端连接存储器04的输入端，存储器输出端输出的延迟信号X(n-k)连接到光选通开关的延迟信号输入端11，存储器或延迟器为k步延迟的存储器或延迟器，存储器用于存储并输出k步之前输入存储器的输入信号；