高对比度光子晶体与逻辑门的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种高对比度光子晶体与逻辑门，它为一种五端口的二维光子晶体，包括一个非线性腔单元和一个Y型与逻辑门单元；它由一个参考光输入端、两个系统信号输入端、一个闲置端和一个系统信号输出端组成；非线性腔单元与Y型与逻辑门单元耦合连接。本发明结构简单紧凑，易与其它光子晶体器件进行集成，不仅可实现高对比度的光子晶体与逻辑门功能，而且高、低逻辑输出对比度高，广泛应用于光通信波段。
【专利说明】高对比度光子晶体与逻辑门
【技术领域】
[0001]本发明涉及二维光子晶体、光学与逻辑门
【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。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。
【发明内容】
[0005]本发明克服了现有技术中的不足，提供一种结构紧凑，高低逻辑输出对比度高，易与其它光子晶体器件集成的高对比度光子晶体与逻辑门。
[0006]为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下列技术方案:
[0007]本发明的高对比度光子晶体与逻辑门为一种五端口的二维光子晶体，包括一个非线性腔单元和一个Y型与逻辑门单元；它由一个参考光输入端、两个系统信号输入端、一个闲置端和一个系统信号输出端构组成；所述的非线性腔单元与所述的Y型与逻辑门单元耦合连接。
[0008]所述非线性腔单元所述的非线性腔单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔；该非线性腔单元由一个参考光输入端、一个中间信号输入端、一个闲置端和系统信号输出端组成。
[0009]所述的Y型与逻辑门单元由两个信号输入端和一个中间信号输出端组成。
[0010]所述的二维光子晶体交叉波导非线性腔由高折射率介质柱组成二维的光子晶体“十字”交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端为参考光输入端，下端为中间信号输入端，上端为系统信号输出端，右端为闲置端口 ；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有介质柱，该介质柱为非线性材料，所述非线性介质柱的横截面为矩形、多边形、圆形或者椭圆形，其折射率为3.4或者大于2的值；紧贴中心非线性杆且靠近信号输出端的一根长方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非线性介质柱构成波导缺陷腔。
[0011]所述的二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高线性介质柱与一根矩形非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，矩形非线性介质柱与相邻的四根长方形线性介质柱相贴，距离为0，而两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668d0
[0012]所述的光子晶体与逻辑门为三端口波导网络的光子晶体结构，所述三端口网络的下端分别为两个信号输入端，上端为中间信号输出端；所述三端口波导的交汇处设置了一根非线性材料的介质柱，该介质柱为圆形非线性介质柱；所述非线性介质柱的半径与其它线性介质柱半径相同。
[0013]所述非线性腔单元的中间信号输入端与所述Y型与逻辑门单元的中间信号输出端相连接。
[0014]所述二维光子晶体的高折射率线性介质柱的横截面采用圆形、椭圆形、多边形或者三角形。
[0015]所述二维光子晶体的背景填充材料为空气或者折射率低于1.4的低折射率介质。
[0016]所述的二维光子晶体为(2m+l) X (2n+l)的阵列结构，m为大于等于4的整数，η为大于等于7的整数。
[0017]本发明的光子晶体逻辑器件广泛应用于光通信波段。它与现有技术相比，有如下积极效果:
[0018]1.结构紧凑、易与其它光子晶体器件进行集成。
[0019]2.光子晶体逻辑器件可以直接进行全光的“与”、“或”、“非”等逻辑功能，是实现全光计算的核心器件。
[0020]3.本发明通过非线性腔的幅值变换特性不仅能够实现高对比度的光子晶体与逻辑门功能，而且高、低逻辑输出对比度高。
[0021]4.抗干扰能力强、运算速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的高对比度光子晶体与逻辑门的结构图。
[0023]图中:非线性腔单元01 Y型与逻辑门单元02参考光输入端11系统信号输入端12系统信号输入端13闲置端14系统信号输出端15第一长方形高折射率线性介质柱16第二长方形高折射率线性介质柱17矩形非线性介质柱18圆形高折射率线性介质柱19圆形非线性介质柱20
[0024]图2(a)为图1所示的Y型与逻辑门单元02结构图。
[0025]图中:信号输入端12信号输入端13中间信号输出端32
[0026]图2(b)为图1所示的非线性腔单元01结构图。
[0027]图中:参考光输入端11中间信号输入端31闲置端口 14信号输出端口 15
[0028]图3为图2(b)的基本逻辑功能波形图。
[0029]图4为图2 (a)的输出信号波形Outputl ；
[0030]图4为图1的逻辑信号输出波形Output2 ；
[0031]图4为图1的逻辑信号输出波形Output3 ；
[0032]图5为图2 (b)的逻辑运算真值表。
【具体实施方式】
[0033]如图1所示，本发明的高对比度光子晶体与逻辑门为一种五端口的光子晶体，包括一个非线性腔单元01和一个Y型与逻辑门单元02;它由一个参考光输入端、两个系统信号输入端、一个系统信号输出端和一个闲置端组成；非线性腔单元01，为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，根据其自身的逻辑运算特性，以上一级的逻辑输出作为逻辑输入以实现既定的逻辑功能4型与逻辑门单元02，为一种三端口的Y型光子晶体结构，Y型与逻辑门单元02对输入信号进行与逻辑运算，Y型与逻辑门单元02由两个信号输入端和一个中间信号输出端组成，光子晶体与逻辑门02为一种三端口波导网络的光子晶体结构，三端口网络的下端分别为两个信号输入端，上端为中间信号输出端；三端口波导的交汇处设置了一根非线性材料的介质柱，该介质柱为圆形非线性介质柱；非线性介质柱的半径与线性介质柱的半径相同。
[0034]非线性腔单元01为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，它由高折射率介质柱组成二维的光子晶体“十字”交叉波导四端口网络，四端口网络的左端为参考光输入端，下端为中间信号输入端，上端为系统信号输出端，右端为闲置端；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有介质柱，该介质柱为非线性材料，非线性介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形，其折射率为3.4或者大于2的值；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；准一维光子晶体结构与非线性介质柱构成波导缺陷腔；二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质柱与一根矩形非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，交叉波导非线性腔中心的第一长方形高折射率线性介质柱16，其折射率为3.4、第二长方形高折射率线性介质柱17，其介电常数与非线性介质柱弱光条件下的介电常数一致；两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668d ;交叉波导非线性腔的中心矩形非线性介质柱18，采用克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9，矩形非线性介质柱与相邻的四根长方形线性介质柱相贴，距离为O ;交叉波导非线性腔的圆形高折射率线性介质柱19，采用硅(Si)材料，其折射率为3.4 'Y型与逻辑门单元的非线性介质柱20为圆形，采用克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为5。
[0035]本发明基于图1所示光子晶体结构所具有的光子带隙特性、准一维光子晶体缺陷态、隧穿效应及光克尔非线性效应实现高对比度光子晶体与逻辑功能。首先介绍本发明中光子晶体非线性腔的基本原理:二维光子晶体提供一个具有一定带宽的光子带隙，波长落在该带隙内的光波可在光子晶体内所设计好的光路中传播，因此将器件的工作波长设置为光子带隙中的某一波长；交叉波导中心所设置的准一维光子晶体结构结合矩形非线性介质柱的非线性效应提供了一个缺陷态模式，当输入光波满足一定光强时，使得该缺陷态模式偏移至系统的工作频率，结构产生隧穿效应，信号从输出端15输出。
[0036]当晶格常数d = I μ m，工作波长为2.976 μ m，参照图2 (b)所示的二维光子晶体交叉波导非线性腔，端口 11输入信号A，端口 31输入信号B。如图2所示本发明的二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑输出波形图，当端口 11与端口 31分别输入如图3所示的波形信号可得到该图下方的逻辑输出波形。根据图3所示的逻辑运算特性可得到图5所示该结构的逻辑运算真值表。图5中C为现态Qn，Y为非线性腔单元输出端15的信号输出，即次态Qn+1。根据该真值表可得到非线性腔单元的逻辑表达式:
[0037]Y = AB+BC (I)
[0038]即
[0039]Qn+1=AB+BQn (2)
[0040]参照图2(a)所示的光子晶体Y型与逻辑门光子晶体结构，端口 12输入信号C，端口 13输入信号D，端口 32输出信号波形如图4所示的Outputl。将非线性腔单元01与Y型与逻辑门单元02进行耦合连接，即非线性腔单元01的中间信号输入端31与Y型与逻辑门单元02的中间信号输出端32相互连接，设Y型与逻辑门单元02的与逻辑输出信号为G，即Y型与逻辑门单元02的与逻辑输出信号G作为非线性腔单元01的中间信号输入端31的输入信号。此时，高对比度光子晶体与逻辑门的参考光输入端11输入参考光E = 1，由式2可得到，
[0041]Qn+1= G (3)
[0042]最终，系统输出端口 15将输出高对比度的与逻辑信号G。
[0043]本发明器件的二维光子晶体采用(2m+l) X (2n+l)的阵列结构，m为大于等于4的整数，η为大于等于7的整数。下面结合附图给出两个实施例，在实施例中以17 X 27阵列结构，晶格常数d分别以I μ m及0.5208 μ m为例给出设计和模拟结果。
[0044]实施例1
[0045]晶格常数d = I μ m，工作波长为2.976 μ m，圆形高折射率线性介质柱19的半径为0.18 μ m ;第一长方形高折射率线性介质柱16的长边为0.613 μ m，短边为0.162 μ m ;第二长方形高折射率线性介质柱17的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱16的尺寸一致；矩形非线性介质柱18的边长为1.5 μ m，三阶非线性系数为1.33*10_2ym2/V2;两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668 μπι ;圆形非线性介质柱20的半径为0.18 μm，三阶非线性系数为 1*1(T4 ym2/V2。
[0046]参照图2 (a)所示结构，信号输入端12和信号输入端13分别输入信号C和信号D。其中，信号C与信号D波形如图4所示，可得到Y型与逻辑门单元02的中间信号输出端32的输出信号如图4中Output I所示。若将逻辑幅值输出低于0.5*匕的逻辑输出设为逻辑0，高于0.5*匕的逻辑输出设为逻辑I。可得到，Y型与逻辑门单元02的中间信号输出端32的逻辑I输出幅值约为1.88*P0,而逻辑O输出幅值约为0.47*P0 (除两输入皆为O的情况)，其高低逻辑的对比度约为6dB。将图2(a)所示的Y型与逻辑门单元02的中间信号输出端32与图2(b)所示非线性腔单元01的中间信号输入端31进行耦合连接，可得到本发明结构如图1所不。同理，在信号输入端12和信号输入端13分别输入信号C和信号D，信号C与信号D如图4所示，可得到本发明的高对比度光子晶体与门在晶格常数d = I μ m，工作波长为2.976 μ m时的逻辑输出波形如Output 2所示。可见，系统输出15的逻辑I在高幅值区间振荡，并不断向2.125ΦΡ。的幅值收敛；系统输出15的逻辑O的幅值约为0.006ΦΡ。，低逻辑幅值得到了很好的抑制。系统输出15的高低逻辑对比度高于25dB。
[0047]实施例2
[0048]晶格常数d = 0.5208 μ m，工作波长为1.55 μ m，圆形高折射率线性介质柱19的半径为0.0937 μm ;长方形高折射率线性介质柱16的长边为0.3193 μm，短边为0.0844 μπι ；长方形高折射率线性介质柱17的尺寸与长方形高折射率线性介质柱16的尺寸一致；矩形非线性介质柱18的边长为0.7812 μ m，三阶非线性系数为1.33*10_2 μ m2/V2;两两相邻的长方形线性介质柱相距0.1389 μπι ;圆形非线性介质柱20的半径为0.0937 μm，三阶非线性系数为IWVmVv20
[0049]如图1所不，在信号输入端12和信号输入端13分别输入信号C和信号D，信号C与信号D如图4所示，可得到本发明的高对比度光子晶体与门在晶格常数d = 0.5208 μπι,工作波长为1.55 μ m时的逻辑输出波形如Output 3所示。可见，系统输出15的逻辑I的幅值沿2.05ΦΡ。振荡，并逐渐趋于稳定；系统输出15的逻辑O的幅值约为0.008*P 0,低逻辑幅值得到了很好的抑制。系统输出15的高低逻辑对比度高于24dB。
[0050]以上所述本发明在【具体实施方式】及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。
【权利要求】
1.一种高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:它为一种五端口的二维光子晶体，包括一个非线性腔单元和一个Y型与逻辑门单元；它由一个参考光输入端、两个系统信号输入端、一个闲置端和一个系统信号输出端组成；所述的非线性腔单元与所述的Y型与逻辑门单元親合连接。
2.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的非线性腔单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔；该非线性腔单元由一个参考光输入端，一个中间信号输入端，一个闲置端和系统信号输出端组成。
3.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的Y型与逻辑门单元由两个信号输入端和一个中间信号输出端组成。
4.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述非线性腔单元的中间信号输入端与所述Y型与逻辑门单元的中间信号输出端相连接。
5.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的二维光子晶体交叉波导非线性腔由高折射率介质柱组成二维的光子晶体“十字”交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端为参考光输入端，下端为中间信号输入端，上端为系统信号输出端，右端为闲置端；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有介质柱，该介质柱为非线性材料，所述非线性介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形，其折射率为3.4或者大于2的值；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非线性介质柱构成波导缺陷腔。
6.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质柱与一根正方形非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，正方形非线性介质柱与相邻的四根长方形线性介质柱相贴，距离为O，而两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668do
7.按照权利要求1所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的光子晶体与逻辑门为一种三端口波导网络的光子晶体结构，所述三端口网络的下端分别为两个信号输入端，上端为中间信号输出端；所述三端口波导的交汇处设置了一根非线性材料的介质柱，该介质柱为圆形非线性介质柱；所述非线性介质柱的半径与线性介质柱的半径相同。
8.按照权利要求1或4所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述二维光子晶体的高折射率线性介质柱的横截面为圆形、椭圆形、多边形或者三角形。
9.按照权利要求1或4所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述二维光子晶体的背景填充材料为空气或者折射率低于1.4的低折射率介质。
10.按照权利要求1或4所述的高对比度光子晶体与逻辑门，其特征在于:所述的二维光子晶体为(2m+l) X (2n+l)的阵列结构，m为大于等于4的整数，η为大于等于7的整数。
【文档编号】G02F3/00GK104503186SQ201410799867
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】欧阳征标, 余铨强 申请人:欧阳征标, 深圳大学