專利名稱：“十”字波導(dǎo)光子晶體光學(xué)“或”、“非”、“異或”邏輯門的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維光子晶體、光子晶體線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)缺陷、非線性介質(zhì)、光學(xué)"或" 門、光學(xué)"非"門、光學(xué)"異或門"。背景技術(shù)：
1987年，E.Yablonovitch和S. John首先提出了光子晶體的概念。光子晶體是折射率在空 間周期性變化的電介質(zhì)微結(jié)構(gòu)，其變化的周期與光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)相同。經(jīng)過20年的發(fā)展，光子晶體的研究取得了很大的進(jìn)展。光子晶體可應(yīng)用于制造高性能的 反射鏡、光子晶體光波導(dǎo)、發(fā)光二極管、波長(zhǎng)濾波器、微諧振腔、光開關(guān)等各種光子器件。近年來，光學(xué)邏輯器件的研究工作成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。光子邏輯器件是直接利用光子來 實(shí)現(xiàn)"與"、"或"、"非"等邏輯功能的器件，是實(shí)現(xiàn)光學(xué)計(jì)算的核心器件。光學(xué)邏輯器 件有可實(shí)現(xiàn)并行操作、抗干擾能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的光學(xué)"或"門、光學(xué)"非"門、光學(xué)"異或門"基于光的干涉原理。輸入光分 別從兩個(gè)波導(dǎo)輸入，在波導(dǎo)交叉處干涉，然后由各自的輸出端輸出。在空波導(dǎo)交叉處設(shè)置一 點(diǎn)缺陷，通過改變其位置，半徑，折射率達(dá)到改變兩路光的相位差，就可以控制輸出光強(qiáng)比。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明了 "十"字形結(jié)構(gòu)二維光子晶體邏輯"或"門、"非"門、"異或"門。本發(fā)明的"十"字形二維光子晶體邏輯"或"門、"非"門、"異或"門是由二維光子晶 體線缺陷構(gòu)成的"十"字波導(dǎo)和位于"十"字交叉處的點(diǎn)缺陷構(gòu)成。該邏輯門有兩個(gè)輸入端、 一個(gè)輸出端和一個(gè)閑置波出口端。設(shè)光的入射功率為P。，光強(qiáng)超過0.5P。代表邏輯"1"，光強(qiáng)低于0.05P。則代表邏輯"0". 狀態(tài)"r和"o"對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)有較高的對(duì)比度。通過使輸出端光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)邏輯"0"與"1"的變化， 實(shí)現(xiàn)全光控制。該邏輯門響應(yīng)時(shí)間達(dá)到皮秒量級(jí)。所發(fā)明的光學(xué)邏輯"或"門、"非"門、"異或"門結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)形狀相同，均 為十字形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在十字波導(dǎo)交叉中心處附近均設(shè)置一個(gè)高折射率介質(zhì)引導(dǎo)桿，但是輸入 輸出端有差異。所發(fā)明的"非"門與所發(fā)明的"異或"門的輸入輸出端口位置相同。在圖1 中，1、 2為輸入端，4為輸出端，或者3、 4作為輸入端，l作為輸出端。所發(fā)明的"非"門的輸入端輸出端在一條直線上，且輸入端離引導(dǎo)桿較近，參考光為剩 下兩個(gè)端口中離引導(dǎo)桿較遠(yuǎn)的那個(gè)，參考光始終存在。在圖1中，2為輸入端，l為參考光輸 入端，4為輸出端。所發(fā)明的"異或"門的與所發(fā)明的上述"非"門只有一處差異，就是上述"非"門中的 參考光輸入端改為另一個(gè)信號(hào)輸入端。注意，圖l所示的結(jié)構(gòu)是關(guān)于通過波導(dǎo)交叉中心和引導(dǎo)桿中心的直線對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此， 當(dāng)1與2對(duì)調(diào)、3與4對(duì)調(diào)時(shí)，結(jié)構(gòu)的邏輯功能不會(huì)變化。對(duì)于上述各種邏輯結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)桿的直徑均有一個(gè)最佳值，與之對(duì)應(yīng)，相應(yīng)的高低邏輯幅 度比達(dá)到最大值。光學(xué)邏輯"或"門、"非"門、"異或"門輸入輸出特性，依次參照?qǐng)D3、圖4、圖5.(四)


圖1: 二維光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯門截面示意圖。其中，空白部分為 兩排空波導(dǎo)，空波導(dǎo)交叉處有一點(diǎn)缺陷，起分光和移相作用。所有介質(zhì)桿均為線性材料。"或"門輸入端分別為1、 2，輸出端為3."非"門輸入端2,參考光輸入端為1,輸出端為4."異或" 門輸入端分別為1、 2,輸出端為4.圖2:"十"字交叉空波導(dǎo)處引導(dǎo)桿的位置。其中，實(shí)心圓" "為高折射率線性介質(zhì)桿。圖3:"或"邏輯門輸入輸出關(guān)系 圖4:"非"邏輯門輸入輸出關(guān)系 圖5:"異或"邏輯門輸入輸出關(guān)系具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出幾個(gè)實(shí)施例。參照?qǐng)D1，"十"字波導(dǎo)光子晶體光學(xué)"或"、"非"、"異或"邏輯門由在空氣中周期排列的介質(zhì)柱組成。線性高折射率的介質(zhì)柱選擇為硅(Si)材料，低折射率介質(zhì)為空氣，其折射 率分別為3.4和l.晶格常數(shù)為lmn，高折射率線性介質(zhì)柱的半徑為0.18pm，陣列數(shù)為17X17，工作波長(zhǎng)為(l/0.336)nm，即2.9762拜."或"、"非"、"異或"邏輯門，弓l導(dǎo)桿的半徑都為0. 292 nm.若以17X17陣列作一正方形，以正方形的中心對(duì)稱點(diǎn)為原點(diǎn)， 一個(gè)晶格常數(shù)為單位l建 立坐標(biāo)軸，使正方形的四個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)依次為(-8,-8)、 (-8,8)、 (8,-8)、 (8,8)，則該結(jié)構(gòu)端 口 1的坐標(biāo)為(8， 0),端口 2的坐標(biāo)為(0, -8),端口 3坐標(biāo)為(-8, 0)，端口 4坐標(biāo)為(0, 8).參照?qǐng)D1，"或"邏輯門的輸入端為1、 2，輸出端為3. (l)單輸入情況(端口 1以功率P。 輸入，端口2以0功率輸入)，計(jì)算得到端口3的輸出功率為0.55P。，端口3邏輯狀態(tài)為"1". (2) 單輸入情況(端口 2以功率P。輸入，端口 1以0功率輸入)，計(jì)算得到端口 3的輸出功率為 0.52P。，端口 3邏輯狀態(tài)為"l" . (3)雙輸入情況(端口 1,2同時(shí)以功率Pn輸入)，計(jì)算得到端 口 3的輸出功率為2P。，端口 3邏輯狀態(tài)為"l".計(jì)算結(jié)果列于圖3中。圖3顯示該結(jié)構(gòu)具備 "或"功能。計(jì)算得到開光時(shí)間達(dá)到皮秒量級(jí)。參照?qǐng)Dl，"非"邏輯門的輸入端為2，輸出端為4 (端口 1始終以功率P。輸入).(l)零輸 入情況(端口 2輸入功率為0)，計(jì)算得到端口 4的輸出功率為0. 64P。，端口 4邏輯狀態(tài)為"l". (2) 有輸入情況(端口 2同時(shí)以功率P。輸入)，計(jì)算得到端口 4的輸出功率為0. 048 P。，端口 4邏 輯狀態(tài)為"0".計(jì)算結(jié)果列于圖4中。圖4顯示該結(jié)構(gòu)具備"非"功能。計(jì)算表明狀態(tài)"O"與 狀態(tài)"l"間的對(duì)比度最小達(dá)到11.2dB，開光時(shí)間達(dá)到皮秒量級(jí)。參照?qǐng)Dl，"異或"邏輯門的輸入端為1、 2，輸出端為4. (l)零輸入情況，端口4的輸出 功率為O，端口4邏輯狀態(tài)為"0". (2)單輸入情況(端口 1以功率P。輸入，端口2以0功率輸 入)，計(jì)算得到端口 4的輸出功率為0.64P。，端口 4邏輯狀態(tài)為"l" . (3)單輸入情況(端口 2 以功率P。輸入，端口1以0功率輸入)，計(jì)算得到端口 4的輸出功率為0.55P',，端口4邏輯 狀態(tài)為'T' . (4)雙輸入情況(端口 1,2同時(shí)以功率P。輸入)，計(jì)算得到端口 4的輸出功率為 0. 048P。，端口 4邏輯狀態(tài)為"O".計(jì)算結(jié)果列于圖5中。圖5顯示該結(jié)構(gòu)具備"異或"功能。 計(jì)算得到狀態(tài)"0"與狀態(tài)"1"間的對(duì)比度最小達(dá)到10.6dB，開關(guān)時(shí)間達(dá)到皮秒量級(jí)。參照?qǐng)D2,在兩個(gè)縱橫空波導(dǎo)交叉處有一點(diǎn)缺陷，也即引導(dǎo)桿。引導(dǎo)桿的坐標(biāo)為 (-0. 188, -0.188).
權(quán)利要求
1. “十”字波導(dǎo)二維光子晶體“或”、“非”、“異或”邏輯門的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于對(duì)于由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成的二維光子晶體“十”字形交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)(交叉中心附近有一高折射率引導(dǎo)桿)，通過選擇適當(dāng)?shù)妮斎胼敵龆丝冢梢苑謩e實(shí)現(xiàn)光學(xué)“或”、“非”、“異或”邏輯功能。
2. 按權(quán)力要求1所述的"或"邏輯門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于設(shè)有兩個(gè)信號(hào)輸入端， 一個(gè)輸出端和一個(gè)兩置波輸出端， 一個(gè)接收閑置波的端口； 一個(gè)輸入端與輸出端在 一條直線上，且輸出端離引導(dǎo)桿較近；另一個(gè)輸入端為剩下兩個(gè)端口中的一個(gè)，且 為離引導(dǎo)桿較近的一端；引導(dǎo)桿的直徑有一個(gè)最佳值，對(duì)應(yīng)最大的高低邏輯幅度比 值。
3. 按權(quán)力要求1所述的"非"邏輯門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于該邏輯門有一個(gè)信號(hào)輸 入端， 一個(gè)輸出端、 一個(gè)參考光輸入端和一個(gè)閑置波輸出端；參考光始終存在。信 號(hào)輸入端與輸出端相對(duì)而設(shè)置，且信號(hào)輸入端為離引導(dǎo)桿較近的端口；參考光輸入 端為剩下的兩個(gè)端口中的一個(gè)，且是離引導(dǎo)桿較遠(yuǎn)的那個(gè)端口；引導(dǎo)桿的直徑有一 個(gè)最佳值，對(duì)應(yīng)最大的高低邏輯幅度比值。
4. 按權(quán)力要求1所述的"異或"邏輯門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于將權(quán)利要求4中的"非" 門的參考光輸入端改為第二個(gè)信號(hào)輸入端，即獲得"異或"邏輯門。
5. 按權(quán)利要求1-4所述的"十"字波導(dǎo)二維光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯 門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于組成二維光子晶體的高折射率介質(zhì)可以是棱柱形，也可 以是圓柱形，也可以是任意橫截面形狀的介質(zhì)柱。
6. 按權(quán)利要求1-4所述的"十"字波導(dǎo)二維光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯 門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于組成二維光子晶體的低折射率介質(zhì)可以為空氣，也可以 為其它低折射率介質(zhì)；非線性介質(zhì)的非線性系數(shù)存在一個(gè)最佳值，對(duì)應(yīng)最大的高低 邏輯幅度比值。
7. 按權(quán)利要求1-4所述的"十"字波導(dǎo)二維光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯 門實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于基本邏輯門的工作波長(zhǎng)可以通過介質(zhì)柱的尺寸和形狀來 調(diào)節(jié)?；具壿嬮T尺寸與工作波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)；根據(jù)不同的要求，改變結(jié)構(gòu)參數(shù) 和選擇不同的材料，該結(jié)構(gòu)可以適合于任意電磁波波段，包括微波波段、毫米波波 段、亞毫米波波段、太赫茲(THz)波段、紅外波段、可見光波段、紫外波段、X波 段等。
全文摘要
一類基于二維光子晶體四端口線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的“十”字波導(dǎo)二維光子晶體“或”、“非”、“異或”邏輯門的實(shí)現(xiàn)方法，其做法如下線性高折射率介質(zhì)棒在空氣或低折射率介質(zhì)背景中周期性地排列成二維光子晶體，抽掉四排介質(zhì)桿形成“十”字形四端口交叉波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，在波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中心交叉點(diǎn)附近設(shè)置有一高折射率介質(zhì)柱(引導(dǎo)桿)，選取適的引導(dǎo)桿位置和半徑，再選擇適當(dāng)?shù)妮斎胼敵龆丝诩纯梢苑謩e實(shí)現(xiàn)光子晶體光學(xué)“或”邏輯門、“非”邏輯門和“異或”邏輯門等。
文檔編號(hào)G02F3/00GK101251701SQ20081006500
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日
發(fā)明者強(qiáng) 劉, 歐陽(yáng)征標(biāo) 申請(qǐng)人:深圳大學(xué);歐陽(yáng)征標(biāo)