[发明专利]一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法。本发明采用一维的α构型拓扑光子晶体和β构型拓扑光子晶体，实现局域边界态，具有整体的拓扑保护特性，并对杂质或缺陷的不敏感性，即鲁棒性，这将大大提升器件的传输性能；利用超快响应的非线性材料形成缺陷腔，以泵浦光的有无作为输入，改变α构型和β构型拓扑光子晶体的等效折射率，从而改变α构型和β构型拓扑光子晶体的状态，以二者拼接处有无光场作为输出信号，从而实现全光数字逻辑器件的运算功能；本发明通过拓扑边界态实现了具有鲁棒性的逻辑转化，具有拓扑保护的功能，大大降低了光损耗；通过非线性全光效应大大减少了逻辑运算的时间，有利于大规模的片上集成。

技术领域

本发明涉及光学逻辑器件，具体涉及一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法。

背景技术

目前常用的逻辑器件均是基于电子回路，而对于电子逻辑器件来说，一方面由于电路的实现依靠电子的运动，电子在运动中会产生碰撞，从而产生大量热能和损耗，无法实现超高密度集成的芯片，导致摩尔定律失效，且集成度越高，能耗就越高；另一方面，电子作为电子芯片的信息载体，由于运动速度受到限制，其实现的计算处理速率仅能达到Gb/s的量级，远不够现今阶段日益增长的计算速率需求。因此，对于信息计算来说，急需超高计算速率和低能耗的新型芯片。光子作为另外一种信息传送的载体，在媒介中的运动速度为光速的量级，由于其超快的传播速度，光子信息处理器的传输速率可达1000Tb/s；此外，光子之间不存在相互运动，没有热损耗及并行计算时易串扰的问题。在电子数字逻辑器件中，依靠二极管、三极管和电阻来实现与、或、非这三种基本逻辑运算，以及有这三种基本逻辑运算排列组合后的异或、与非等其他逻辑运算，但是正如上面所说，电子逻辑运算的传输速率低，并且由于热耗散巨大不利于大规模集成。发展到光学逻辑回路中，通过调控光从入射端到出射端的强度大小，一般来说，认为光强大的地方为逻辑信号“1”，光强弱的地方为信号“0”，从而实现数字逻辑编码以及超快信息传输速率；并且由于光子低损耗的特性，可以制作大规模集成芯片。对于目前光学回路来说，单一结构功能的数字逻辑器件，比如仅实现非门、或门以及异或门等的器件，只需要把光信号加载到输入耦合端，从输出耦合端探测信号光强。在这一探测过程中，光学信号仅在设计波导上传输，不受到额外电压或热源的影响。然而在可以实现多功能数字逻辑器件的光学结构中，一般采用可重构光学回路，通过电压调控或者热敏调控，改变光学结构下载流子的浓度，从而实现光学结构等效折射率的变化，达到对光束光程差(相位)的调控，由此便可在一个集成光学结构中实现多功能数字逻辑运算。虽然可重构体系可以实现多功能逻辑运算，但对压电调控或者热光调控仍需要一定的反应时间，才能够把信息完整加载在光学回路中，这也大大降低了信息传输速率，不利于具有超快运算功能的集成光学芯片的实现。

光学逻辑器件通常是利用人工微纳结构，包括光子晶体、微腔、等离激元超表面等组成光学器件的基本单元。受到微纳加工精度的局限性，样品加工及制备上可能会发生一些不可预测的误差，比如器件中的缺陷和杂质将会引起光的强烈的背向散射，导致光损耗增加，需要不断提高入射光光强以达到区别逻辑信号“0”和“1”的目的，从而严重影响器件性能。另一方面，光子晶体线缺陷波导不能适应大角度的弯折，微腔需要配合光学波导或光子晶体使用，等离激元超表面很难做到1550nm的通讯波段等，这些也限制了其在光信息处理器件中的应用。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件及其实现方法，利用拓扑光子边界态具有鲁棒性和抗背散射性，调控基于SSH(Su-Schrieffer-Heeger)苏·施里弗·希格模型的拓扑光子晶体，控制拓扑边界态的产生和消失，从而能够对不同调控结果数字逻辑进行编码；此外，运用非线性钛酸锶复合薄膜材料制成SSH缺陷腔，实现全光调控。

本发明的一个目的在于提出一种基于拓扑边界态的全光数字逻辑器件。