[发明专利]基于能谷光子晶体拓扑边缘态的全光逻辑或门结构

说明书

本发明涉及拓扑光子学及光通信系统领域，公开了一种实现全光逻辑或门的硅基能谷光子晶体结构，包括硅基底，所述硅基底上通过三条分界线分成了四个区域；四个区域内第一圆形空气孔和第四空气孔交错分布，并在分界线处设置缺陷分别形成了INA、INB输入波导，OUT1和OUT2输出波导；本发明可以用于实现全光逻辑或门功能，实现了双输入端输入不同波长的光实现逻辑或功能，且当OUT1输出波导的输出为逻辑1时的透射率高，均在0.8以上，逻辑对比度高。

技术领域

本发明涉及拓扑光子学及光通信系统领域，具体涉及基于能谷光子晶体拓扑边缘态的全光逻辑或门。

背景技术

光量子计算及光通信系统的发展趋势是光量子技术微型化和集成化，而全光逻辑门是光信号处理器和光通信系统的基本元件，是光量子计算芯片中的关键器件。然而，目前在光学信息处理过程中，由于使用了电子逻辑门，因此有必要始终使用复杂而繁琐的电光转换。因此，对全光逻辑门的设计提出了严格的要求。

具有理想性能的逻辑门是在抽象中对布尔值执行操作的逻辑门，它应该不会耗散功率，并且会瞬间改变状态，类似于阶跃函数。此类门操作在离散逻辑输入上，不应有传播延迟。对于全光逻辑门，由于光速很高，传播延迟可以忽略。此外，可以通过实现高透射率来最小化功耗。此外，对于光子集成电路(PIC)中的操作，逻辑门应该具有小型化的封装外形。最后，一般来说，对于量子计算，需要使用不同的光自旋状态，因此，逻辑门应该具有自旋向上(右手圆极化，RCP)和自旋向下(左手圆极化，LCP)光的手性。

已经证明了许多全光逻辑门的设计，如半导体光放大器(SOA)，周期极化铌酸锂(PPLN)波导，环形谐振器，光子晶体(PC)。基于SOA的逻辑门的性能受到自发辐射噪声和高集成复杂度的限制。基于半导体环形谐振器的逻辑门具有结构简单、输入功率低等优点，但速度很慢。基于PPLN波导的逻辑门开关速度快，自发辐射噪声低。然而，这些门对温度和极化有很强的依赖性，这限制了它们的应用。上述逻辑门尺寸都比较大，不适合于片上集成。相比之下，使用纳米结构可以显著减少全光逻辑门的占地面积，其光子晶体结构应用最为广泛。PCs的不同效应已应用于逻辑门的设计，如：

1、自准直效应；例如在2016年，范冉冉她们(2D photonic crystal logic gatesbased on self-collimated effect,2016,Journal Of Physics D-applied Physics,49,325104)利用光子晶体中自准直光束之间的干涉，提出了四种可用于光子集成电路设计的逻辑门，即NOT、OR、AND和XOR门。通过调整分光器的半径和分光器之间的光程差，使反射光束和透射光束之间产生一定的相位差，从而产生建设性或破坏性的干涉，实现逻辑运算。

2、多模干涉效应；2014年，殷洪玺小组(Design of all-optical logic gatesavoiding external phase shiftersin a two-dimensional photonic crystal basedon multi-modeinterference for BPSK signals,2014,Journal Of Physics D-appliedPhysics,49,325104)提出并设计了几种基于多模干涉(MMI)的二维光子晶体(PC)全光逻辑门的新结构。在光子晶体器件的两个输入端口之间，通过两个输入端口不同长度的波导引入3π/2相移，使得逻辑门可以直接用于二进制相移键控(BPSK)信号的逻辑运算。实现了XOR、XNOR、OR和NAND逻辑门。

3、干涉波导；2020年，Dalai等人(Performance analysis of all-optical NAND,NOR,and XNOR logic gates using photonic crystal waveguide for opticalcomputing applications，2020，59(5):057101)采用波导干涉原理提出了一种能实现NAND，NOR、XNOR等逻辑功能的光子晶体结构，但该结构的对比度不高，有光从其他波导泄露的情况。