高對比度光子晶體“或”、“非”、“異或”邏輯門的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及二維光子晶體、非線性光學、光學邏輯門。
【背景技術】
[0002] 1987年，美國Bell實驗室的E.Yablonovitch在討論如何抑制自發(fā)輻射 和Princeton大學的S.John在討論光子區(qū)域各自獨立地提出了光子晶體（Photonic Crystal)的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質結構，通常由兩 種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構成的人工晶體。
[0003] 隨著光子晶體的提出和深入研宄，人們可以更靈活、更有效地控制光子在光子晶 體材料中的運動。在與傳統(tǒng)半導體工藝和集成電路技術相結合下，人們通過設計與制造光 子晶體及其器件不斷的往全光處理飛速邁進，光子晶體成為了光子集成的突破口。1999年 12月，美國權威雜志《科學》將光子晶體評為1999年十大科學進展之一，也成為了當今科學 研宄領域的一個研宄熱點。
[0004] 全光邏輯器件主要包括基于光放大器的邏輯器件、非線性環(huán)形鏡邏輯器件、薩格 納克干涉式邏輯器件、環(huán)形腔邏輯器件、多模干涉邏輯器件、耦合光波導邏輯器件、光致異 構邏輯器件、偏振開關光邏輯器件、傳輸光柵光邏輯器件等。這些光邏輯器件對于發(fā)展大規(guī) 模集成光路來說都有體積大的共同缺點。隨著近年來科學技術的提高，人們還發(fā)展研宄出 了量子光邏輯器件、納米材料光邏輯器件和光子晶體光邏輯器件，這些邏輯器件都符合大 規(guī)模光子集成光路的尺寸要求，但對于現(xiàn)代的制作工藝來說，量子光邏輯器件與納米材料 光邏輯器件在制作上存在很大的困難，而光子晶體光邏輯器件則在制作工藝上具有競爭優(yōu) 勢。
[0005] 近年來，光子晶體邏輯器件是一個備受矚目的研宄熱點，它極有可能在不久將來 取代目前正廣泛使用的電子邏輯器件。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種結構緊湊、高低邏輯輸出對比 度高、易與其它光子晶體邏輯器件集成的高對比度光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯門。
[0007] 為了解決上述存在的技術問題，本發(fā)明采用下列技術方案：
[0008] 本發(fā)明的高對比度光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯門為一種六端口的二維光子 晶體，包括一個非線性腔單元和一個"十"字波導邏輯門單元；所述的高對比度光子晶體 "或"邏輯門由一個參考光輸入端、兩個閑置光輸出端、兩個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信 號輸出端組成；所述的高對比度光子晶體"非"邏輯門由兩個參考光輸入端、兩個閑置光輸 出端、一個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信號輸出端組成；所述的高對比度光子晶體"異或" 邏輯門由一個參考光輸入端、兩個閑置光輸出端、兩個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信號輸 出端組成；所述的"十"字波導邏輯門單元設置有不同的輸入或輸出端口；所述的非線性腔 單元與所述的"十"字波導邏輯門單元耦合連接。
[0009] 所述的非線性腔單元為一個二維光子晶體交叉波導非線性腔。
[0010] 所述的非線性腔單元由一個參考光輸入端、一個中間信號輸入端、一個信號輸出 端和一個閑置端口組成。
[0011] 所述非線性腔單元的中間信號輸入端分別與所述"十"字波導邏輯門單元的"非" 門、"異或"門的輸出端相連接。
[0012] 所述非線性腔單元的中間信號輸入端與所述"十"字波導邏輯門單元的"或"門的 輸出纟而相連接。
[0013] 所述的非線性腔單元由高折射率線性介質柱構成二維的光子晶體"十"字交叉波 導四端口網(wǎng)絡，所述四端口網(wǎng)絡的左端為參考光輸入端、下端為中間信號輸入端、上端為系 統(tǒng)信號輸出端、右端為閑置端口；通過交叉波導中心沿兩波導方向放置兩相互正交的準一 維光子晶體結構；在交叉波導的中部設置有介質柱，該介質柱為非線性材料，所述介質柱的 橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線性桿且靠近信號輸出端的一根矩 形線性桿的介電常數(shù)與中心非線性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述準一維光子晶體 結構與非線性介質柱構成波導缺陷腔。
[0014] 所述非線性腔單元的交叉波導中的準一維光子晶體中的介質柱的折射率為3. 4 或者大于2的值，且所述準一維光子晶體中的介質柱的橫截面形狀為矩形。
[0015] 所述的"十"字波導邏輯門單元為一個"十"字波導光子晶體"或"、"非"、"異或"邏 輯門；該"十"字波導邏輯門單元由兩個輸入端、一個閑置端口和一個信號輸出端組成。
[0016] 所述的"十"字波導邏輯門單元為一個四端口的波導網(wǎng)絡的光子晶體，所述四端口 網(wǎng)絡的右端、下端分別為一個參考光輸入端和一個信號光輸入端或兩個信號輸入端，左端、 上端分別為閑置端口或信號輸出端；所述四端口網(wǎng)絡的交叉中心設置有一根圓形介質柱。 所述四端口網(wǎng)絡的右端、下端分別為一個參考光輸入端和一個信號光輸入端或兩個信號輸 入端，左端、上端分別為閑置端口或信號輸出端；
[0017] 所述二維光子晶體的高折射率線性介質柱的橫截面為圓形、三角形、多邊形或者 橢圓形。
[0018] 所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率低于1. 4的低折射率介質。
[0019] 所述的二維光子晶體為（2m+l)X(2n+l)的陣列結構，m為大于等于5的整數(shù)，n為 大于等于8的整數(shù)。
[0020] 本發(fā)明的光子晶體邏輯器件通過對結構的縮放，可廣泛應用于光通信波段。它與 現(xiàn)有技術相比，有如下積極效果：
[0021] 1.結構緊湊、易與其它光子晶體邏輯器件進行集成。
[0022] 2.光子晶體邏輯器件可以直接進行全光的"與"、"或"、"非"等邏輯功能，是實現(xiàn)全 光計算的核心器件。
[0023] 3.本發(fā)明通過非線性腔的幅值變換特性不僅能夠實現(xiàn)高對比度的光子晶體"或"、 "非"、"異或"邏輯門功能，而且高、低邏輯輸出對比度高。
[0024] 4?抗干擾能力強、運算速度快。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的高對比度光子晶體"非"門、"異或"門的結構圖。
[0026] 圖中：非線性腔單元01 "十"字波導邏輯門單元02高對比度光子晶體"非"門的 參考光輸入端1信號輸入2閑置光輸出端口 3參考光輸入端4系統(tǒng)信號輸出端5閑置光輸 出端口 6高對比度光子晶體"異或"門的信號輸入端1信號輸入端2閑置光輸出端口 3參 考光輸入端4系統(tǒng)信號輸出端5閑置光輸出端口 6第一長方形高折射率線性介質柱11第 二長方形高折射率線性介質柱12正方形非線性介質柱13圓形高折射率線性介質柱14圓 形線性介質柱15
[0027] 圖2為本發(fā)明的高對比度光子晶體"或"門的結構圖。
[0028] 圖中：非線性腔單元01"十"字波導邏輯門單元02信號輸入端1信號輸入端2閑 置光輸出端口3參考光輸入端4系統(tǒng)信號輸出端5閑置光輸出端口6閑置光輸出端口7第 一長方形高折射率線性介質柱11第二長方形高折射率線性介質柱12正方形非線性介質柱 13圓形高折射率線性介質柱14圓形線性介質柱15
[0029] 圖3為本發(fā)明的高對比度光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯門的兩個單元結構圖。 [0030] 圖（a):"十"字波導邏輯門單元02 "非"邏輯門的參考光輸入端1信號光輸入端 2閑置端口 3信號輸出端7 "十"字波導邏輯門單元02 "異或"邏輯門的信號輸入端1信號 輸入端2閑置端口 3信號輸出端7 "十"字波導邏輯門單元02 "或"邏輯門的信號輸入端 1信號輸入端2信號輸出端3閑置端口 7
[0031] 圖（b):非線性腔單元01的參考光輸入端4中間信號輸入端8信號輸出端5閑置 光輸出端6
[0032] 圖4為圖3(b)所示非線性腔單元01的信號輸出端5輸出的基本邏輯功能波形圖。
[0033] 圖5為圖1所示的高對比度光子晶體"非"門實現(xiàn)的高對比度"非"邏輯運算功能 波形圖。
[0034] 圖6為圖1所示的高對比度光子晶體"異或"門實現(xiàn)的高對比度"異或"邏輯運算 功能波形圖。
[0035] 圖7為圖2所示的高對比度光子晶體"或"門實現(xiàn)的高對比度"或"邏輯運算功能 波形圖。
[0036] 圖8為圖3(a)所示"十"字波導邏輯門單元的"非"邏輯門輸入輸出關系表。
[0037] 圖9為圖3(a)所示"十"字波導邏輯門單元的"異或"邏輯門輸入輸出關系表。
[0038] 圖10為圖3(a)所示"十"字波導邏輯門單元的"或"邏輯門輸入輸出關系表。
[0039] 圖11為圖3(b)所示的非線性腔單元的邏輯功能真值表。
【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明的高對比度光子晶體"或"、"非"、"異或"邏輯門為一種六端口的二維光子 晶體，包括一個非線性腔單元01和一個"十"字波導邏輯門單元02;圖1所示的高對比度 光子晶體"非"、"異或"邏輯門，高對比度光子晶體"非"邏輯門由兩個參考光輸入端、兩個閑 置光輸出端、一個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信號輸出端組成；高對比度光子晶體"異或" 邏輯門由一個參考光輸入端、兩個閑置光輸出端、兩個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信號輸 出端組成；圖2所示的高對比度光子晶體"或"邏輯門由一個參考光輸入端、兩個閑置光輸 出端、兩個系統(tǒng)信號輸入端和一個系統(tǒng)信號輸出端組成。
[0041] "十"字波導邏輯門單元02如圖3 (a)所示，為一個"十"字波導光子晶體光學"或"、 "非"、"異或"邏輯門，可對輸入信號進行邏輯運算，通過設置不同的輸入或者輸出端口能分 別實現(xiàn)"或"、"非"、"異或"邏輯功能；"十"字波導邏輯門單元為一個四端口的波導網(wǎng)絡的 光子晶體，"十"字波導邏輯門單元由兩個輸入端、一個閑置端口和一個信號輸出端構成； 四端口網(wǎng)絡的右端、下端分別為參考光輸入端和信號光輸入端或者兩個信號輸入端，左端、 上端分別為閑置端口或者信號輸出端；四端口網(wǎng)絡的"十"字交叉波導中心附近設置了一 根圓形介質柱，設"十"字交叉波導對稱中心為原點（〇,〇)，則中