[发明专利]高对比度光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门

说明书

技术领域

本发明涉及二维光子晶体、非线性光学、光学逻辑门。

背景技术

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(Photonic Crystal)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。

随着光子晶体的提出和深入研究，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究领域的一个研究热点。

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 还发展研究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究热点，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

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、高低逻辑输出对比度高、易与其它光子晶体逻辑器件集成的高对比度光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下列技术方案：

本发明的高对比度光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门为一种六端口的二维光子晶体，包括一个非线性腔单元和一个“十”字波导逻辑门单元；所述的高对比度光子晶体“或”逻辑门由一个参考光输入端、两个闲置光输出端、两个系统信号输入端和一个系统信号输出端组成；所述的高对比度光子晶体“非”逻辑门由两个参考光输入端、两个闲置光输出端、一个系统信号输入端和一个系统信号输出端组成；所述的高对比度光子晶体“异或”逻辑门由一个参考光输入端、两个闲置光输出端、两个系统信号输入端和一个系统信号输出端组成；所述的“十”字波导逻辑门单元设置有不同的输入或输出端口；所述的非线性腔单元与所述的“十”字波导逻辑门单元耦合连接。

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。

所述的非线性腔单元由一个参考光输入端、一个中间信号输入端、一个信号输出端和一个闲置端口组成。

所述非线性腔单元的中间信号输入端分别与所述“十”字波导逻辑门单元的“非”门、“异或”门的输出端相连接。

所述非线性腔单元的中间信号输入端与所述“十”字波导逻辑门单元的“或”门的输出端相连接。

所述的非线性腔单元由高折射率线性介质柱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，所述介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形；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非线性介质柱构成波导缺陷腔。

所述非线性腔单元的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或者大于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。

所述的“十”字波导逻辑门单元为一个“十”字波导光子晶体“或”、“非”、“异或”逻辑门；该“十”字波导逻辑门单元由两个输入端、一个闲置端口和一个信号输出端组成。

所述的“十”字波导逻辑门单元为一个四端口的波导网络的光子晶体，所述四端口网络的右端、下端分别为一个参考光输入端和一个信号光输入端或两个信号输入端，左端、上端分别为闲置端口或信号输出端；所述四端口网络的交叉中心设置有一根圆形介质柱。所述四端口网络的右端、下端分别为一个参考光输入端和一个信号光输入端或两个信号输入端，左端、上端分别为闲置端口或信号输出端；