[发明专利]一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信系统、光计算机系统及光信号处理系统中的集成型全光逻辑门器件，属于集成光学技术领域。

背景技术

全光逻辑门是光信号处理中的基本单元，是实现光分组交换，光计算和未来高速大容量光网络的关键元器件。现行的全光逻辑门主要是利用非线性光纤，半导体光放大器，以及非线性波导等作为核心器件以实现光逻辑功能。利用非线性光纤的逻辑门主要是利用光纤的克尔效应，有较快的工作速率，但是，这种结构的逻辑门需要很大的功耗和很长的时延，同时需要较长的光纤来保证其较强的非线性效应，因此这种结构体积较大，不利于集成，且系统不稳定。利用半导体光放大器的全光逻辑门的工作速率会受到半导体光放大器中自由载流子寿命的限制，不利于高速的信号处理。

目前，随着互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的快速发展，基于半导体微纳波导的全光逻辑门成为了集成光学领域的一个重要研究方向，主要有基于III-V族化合物材料和绝缘层上的硅（SOI）两种类型的波导结构来实现全光逻辑门。以GaAs、 InP为代表的III-V族化合物材料，由于加工工艺的限制，利用这种材料的波导结构所构成的全光逻辑门不易于与其它光子器件实现单片集成，且成本较高。随着硅光子学的快速发展，SOI波导结构得到了很大的关注，由于使用价格便宜的硅材料来实现各种光子器件且与成熟的COMS工艺兼容，因此在光电子集成领域有着巨大的发展潜力。基于SOI波导结构的全光逻辑门，主要利用硅基材料的非线性光学效应改变波导材料的有效折射率来控制传输信号光，从而实现各种逻辑操作，但是，逻辑门工作速度会受到载流子复合时间的限制，难以实现超高速的全光逻辑操作，同时，硅基材料非线性效应很弱，工作时所需功耗较大，因此，直接利用传统的SOI波导结构来实现高速低功耗的全光逻辑门设计不太实际。

发明内容

技术问题：为了克服现有全光逻辑门的不足，本发明提供一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，具有易于实现、工作速率快、功耗低、结构紧凑、价格相对低廉等优点。本发明可以在硅基芯片上利用成熟的CMOS加工工艺实现单片集成，对于硅光子学的发展有着重要的意义。

技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，该器件包括有两个用于输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导，即第一输入波导和第二输入波导，两个输出波导，即第一输出波导和第二输出波导，第一模式转换器，非线性定向耦合器，第二模式转换器，其中

第一输入波导和第二输入波导分别通过第一模式转换器与非线性定向耦合器连接，非线性定向耦合器通过第二模式转换器分别与第一输出波导和第二输出波导连接。

优选的，非线性定向耦合器由三槽垂直硅基纳米线波导构成，其槽中填充具有克尔非线性效应的硅纳米晶体材料，第一模式转换器用于实现第一输入波导、第二输入波导和三槽垂直硅基纳米线波导之间的模式转换，第二模式转换器用于实现三槽垂直硅基纳米线波导与第一输出波导、第二输出波导之间的模式转换。

优选的，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导均为绝缘层上的硅脊波导结构，且能够同时承载准横电模和准横磁模。

有益效果：

1、由于核心元件为定向耦合器，因此工作原理简单、操控方便、结构紧凑、易于级联。

2、定向耦合器由三槽垂直硅基纳米线波导结构实现，这种结构能够实现将模场集中分布在低折射率的槽中，其光场限制能力较传统的波导结构和单槽结构大很多，因此能够更好的实现非线性效果，降低输入光功率要求。

3、由于三槽垂直硅基纳米线波导的特殊结构，可以在槽中填充具有克尔非线性效应的硅纳米晶体材料，克服了传统硅基波导结构非线性效应较弱的缺点，进一步降低输入光功率要求。

4、由于利用克尔非线性效应，逻辑操作响应时间很短，因此全光逻辑门工作速率很快，能够实现高速的光信号处理。

5、硅基纳米线波导结构材料便宜，并且与成熟的CMOS加工工艺兼容，制作简单，能够实现硅基单片集成，在集成光学领域有着巨大的潜力。

附图说明

图1为本发明 “非”（NOT）逻辑门的配置图；

图2为本发明中非线性定向耦合器的截面图；

图3a为三槽垂直硅基纳米线波导结构准横电模的主分量模场分布图；

图3b为三槽垂直硅基纳米线波导结构准横磁模的主分量模场分布图；

图4为本发明 “与”（AND）和“或”（OR）逻辑门的配置图；