光子晶體全光學d觸發(fā)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子晶體全光學D觸發(fā)器，它包括一個光子晶體結構單元、一個光開關單元、一個內置或外置的參考光源、一個內置或外置的吸收負載；光子晶體結構單元由兩個信號輸入端，一個信號輸出端及一個閑置端口組成；光子晶體結構單元的時鐘信號輸入端與時鐘控制信號CP連接；光子晶體結構單元的中間信號輸入端與光開關單元的第一中間信號輸出端連接；邏輯信號D與光開關單元的第一信號輸入端連接；吸收負載與光開關單元的第二中間信號輸出端連接；參考光源與光開關單元的第二信號輸入端連接；第二信號輸入端為參考光輸入端，參考光輸入端與一個參考光源的輸出端連接。本發(fā)明結構緊湊，易與其他光學邏輯元件進行集成。
【專利說明】光子晶體全光學D觸發(fā)器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及二維光子晶體、光學D觸發(fā)器。

【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(PhotonicCrystal)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。
[0006]在實現(xiàn)全光計算的進程中，基于“與”、“或”、“非”、“異或”等光子晶體邏輯功能器件已經被成功設計研宄，而實現(xiàn)全光計算的目標仍需要各種各樣復雜的邏輯元器件。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種結構簡單，抗干擾能力強、易于與其他光學邏輯元件集成的光子晶體全光學同步D觸發(fā)器。
[0008]為了解決上述存在的技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案:
[0009]本發(fā)明的光子晶體全光學同步D觸發(fā)器包括一個光選通開關、一個光子晶體結構單元、、一個內置或者外置的參考光源、一個內置或者外置的吸收負載；所述的光子晶體結構單元由兩個信號輸入端，一個信號輸出端及一個閑置端口組成；所述的光子晶體結構單元的第一端口為時鐘信號輸入端，該時鐘信號輸入端與時鐘控制信號CP連接；所述的光子晶體結構單元的第二端口為中間信號輸入端，該中間信號輸入端與開關單元的第一中間信號輸出端連接；邏輯信號D與所述光開關單元的第一信號輸入端連接；一個內置或者外置的吸收負載與所述光開關單元的第二中間信號輸出端連接；一個內置或者外置的參考光源與所述光開關單元的第二信號輸入端連接；所述的第二信號輸入端為參考光輸入端，該參考光輸入端與一個內置或者外置的參考光源的輸出端連接。
[0010]所述的光子晶體結構單元為一個二維光子晶體交叉波導非線性腔，該二維光子晶體交叉波導非線性腔中心由十二根長方形高折射率線性介質桿與一根正方形非線性介質桿在縱、橫兩個波導方向呈準一維光子晶體排列，中心正方形非線性介質桿與相鄰的四根長方形線性介質桿相貼，該中心正方形非線性介質桿為克爾型非線性材料，弱光條件下的介電常數為7.9，所述高折射率線性介質桿的介電常數與非線性介質桿弱光條件下的介電常數相等。
[0011]所述的高折射率線性介質桿由二維光子晶體“十”字交叉波導四端口網絡構成，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；在所述交叉波導的中部設置有中間介質柱，該中間介質柱為非線性材料；所述準一維光子晶體結構與中間介質柱構成波導缺陷腔。
[0012]所述光子晶體為(2k+l) X (2k+l)的陣列結構，k為大于等于3的整數。
[0013]所述的開關為2X2光選通開關，其包括一個時鐘信號CP控制端，一個第一信號輸入端、一個第二信號輸入端、一個第一中間信號輸出端和一個第二中間信號輸出端；所述的第一信號輸入端為系統(tǒng)信號輸入端；所述的第二信號輸入端為參考光輸入端。
[0014]所述二維光子晶體的高折射率線性介質桿的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
[0015]所述交叉波導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。
[0016]所述中間介質柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形。
[0017]所述交叉波導的準一維光子晶體中的介質柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
[0018]所述二維光子晶體的背景填充材料包括空氣和折射率小于1.4的低折射率介質。
[0019]本發(fā)明的光子晶體全光學D觸發(fā)器可廣泛應用于電子領域。它與現(xiàn)有技術相比，有如下的積極效果。
[0020]1.全光學的同步D觸發(fā)器具有結構緊湊，高、低邏輯輸出對比度高，響應速度快，且易與其他光學邏輯元件進行集成。
[0021]2.光子晶體邏輯器件可直接進行全光的“與”、“或”、“非”等邏輯功能，是實現(xiàn)全光計算的核心器件，具有結構緊湊、抗干擾能力強、運算速度快。
[0022]3.D觸發(fā)器也稱為維持-阻塞邊沿D觸發(fā)器，它能使電子電路受干擾度降低，增強電路可靠性，頻率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1示出本發(fā)明的光子晶體全光學D觸發(fā)器結構圖。
[0024]圖中:光開關單元01第一信號輸入端11第二信號輸入端12第一中間信號輸出端13第二中間信號輸出端14光子晶體結構單元02時鐘信號輸入端21中間信號輸入端22閑置端口 23輸出端24圓形高折射率線性介質桿25第一長方形高折射率線性介質桿26第二長方形高折射率線性介質桿27中心非線性介質桿28內置或者外置的吸收負載03時鐘控制信號CP內置或者外置的參考光源04參考光E邏輯信號D
[0025]圖2為圖1所示光子晶體結構單元在晶格常數d為I μ m，工作波長為2.976 μ m的基本邏輯功能波形圖。
[0026]圖3為本發(fā)明的晶格常數d為I μ m，工作波長為2.976 μ m實現(xiàn)全光學的同步D觸發(fā)器的邏輯功能波形圖。
[0027]圖4為本發(fā)明的晶格常數d為0.5208 μ m，工作波長為1.55 μ m實現(xiàn)全光同步D觸發(fā)器的邏輯功能波形圖。
[0028]圖5為圖1所示二維光子晶體交叉波導非線性腔實現(xiàn)的邏輯功能真值表。
具施實施方式
[0029]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:參照圖1，本發(fā)明由一個光開關單元01、一個光子晶體結構單元02、一個內置或者外置的吸波負載03及一個內置或者外置的參考光源04組成，光開關單元01，第一信號輸入端11、第二信號輸入端12、第一中間信號輸出端13、第二中間信號輸出端14，光開關單元01為一個由時鐘信號CP控制的2X2光選通開關，用于控制選擇某一邏輯信號進行輸出，并作為下一級光子晶體結構單元的輸入，光開關單元01的第一信號輸入端11輸入邏輯信號D，邏輯信號D連接光開關單元01的第一信號輸入端11，內置或者外置的參考光源04，輸出參考光E，E = 1，參考光源04連接參考光E，輸出參考光E與光選通開關的第二信號輸入端12相連接，第二信號輸入端12為參考光輸入端，參考光輸入端與一個內置或者外置的參考光源04的輸出端連接，即第二信號輸入端12連接參考光源04，第一中間信號輸出端13連接光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22，第二信號輸出端14連接吸波負載03，吸波負載用于吸收進入其內的光波；時鐘控制信號CP連接到一個二分支波導輸入端，所述二分支波導的一個輸出端連接光選通開關01的時鐘信號控制端，另一個輸出端連接光子晶體結構單元02的時鐘信號輸入端21 ;光子晶體結構單元02由兩個信號輸入端，一個信號輸出端及一個閑置端口組成；光子晶體結構單元02的第一端口為時鐘信號輸入端21，時鐘信號輸入端21與時鐘控制信號CP連接；光子晶體結構單元02的第二端口為中間信號輸入端，中間信號輸入端22連接光選通開關的第一中間信號輸出端13 ;時鐘控制信號CP用于控制參考光E與邏輯信號D于光開關單元01的第一中間信號輸出端13或者第二中間信號輸出端14輸出。
[0030]光子晶體結構單元02為一個二維光子晶體非線性腔，根據該二維光子晶體非線性腔自身的邏輯運算特性及上述單元器件的相互配合，即可實現(xiàn)既定的邏輯功能。二維光子晶體交叉波導非線性腔中心由十二根長方形高折射率線性介質桿與一根正方形非線性介質桿在縱、橫兩個波導方向呈準一維光子晶體排列，中心正方形非線性介質桿與相鄰的四根長方形線性介質桿相貼，高折射率線性介質桿由二維光子晶體“十”字交叉波導四端口網絡構成，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；在所述交叉波導的中部設置有中間介質柱，該中央介質柱為非線性材料；所述準一維光子晶體結構與中間介質柱構成波導缺陷腔。二維光子晶體陣列晶格常數為山陣列數為11X11。
[0031]本發(fā)明基于圖1中的02所示二維光子晶體交叉波導非線性腔所具有的光子帶隙特性、準一維光子晶體缺陷態(tài)、隧穿效應及光克爾非線性效應，通過光開關等單元器件的配合可實現(xiàn)全光的同步D觸發(fā)器功能。首先介紹本發(fā)明中光子晶體非線性腔的基本原理:二維光子晶體提供一個具有一定帶寬的光子帶隙，波長落在該帶隙內的光波可在光子晶體內所設計好的光路中傳播，因此將器件的工作波長設置為光子帶隙中的某一波長；交叉波導中心所設置的準一維光子晶體結構結合中心非線性介質桿的非線性效應提供了一個缺陷態(tài)模式，當輸入光波滿足一定光強時，使得該缺陷態(tài)模式偏移至系統(tǒng)的工作頻率，結構產生隧穿效應，信號從輸出端輸出。
[0032]當晶格常數d = I μ m，工作波長為1.976 μ m，參照圖1中光子晶體結構單元02所示的二維光子晶體交叉波導非線性腔，以時鐘信號輸入端21與中間信號輸入端22為信號輸入端，時鐘信號輸入端21端輸入信號A，中間信號輸入端22輸入信號B。如圖2所不本發(fā)明的二維光子晶體交叉波導非線性腔的邏輯輸出波形圖，當時鐘信號輸入端21與中間信號輸入端22分別輸入如圖2所示的波形信號可得出該圖下方的邏輯輸出波形。根據圖2所示的邏輯運算特性可得出圖5所示該結構的邏輯運算真值表。圖5中C為現(xiàn)態(tài)Qn，Y為輸出端的信號輸出，即次態(tài)$+1。根據該真值表可得出結構的邏輯表達式:
[0033]Y = AB+BC (I)
[0034]即
[0035]Qn+1=AB+BQn (2)
[0036]根據上述二維光子晶體交叉波導非線性腔的基本邏輯特性，通過光開關等單元器件的連接及時鐘控制信號CP的配合即可實現(xiàn)全光學的同步D觸發(fā)器功能。工作步驟如下:
[0037]當CP = O時，光子晶體結構單元02的時鐘信號輸入端21的輸入信號A與CP同步，A = CP = O ;同時，光開關選通第一信號輸入端11的輸入信號于光開關單元01的第二中間信號輸出端14輸出至吸波負載03，光開關選通第二信號輸入端12的輸入信號于光開關的第一中間信號輸出端13輸出，并投射到光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22。因此，光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22的輸入信號等于第二信號輸入端12的輸入信號。
[0038]當CP = I時，光子晶體結構單元02的時鐘信號輸入端21的輸入信號A與CP同步，A = CP = I ;同時，光開關選通第二中間信號輸入端12的輸入信號于光開關的第二中間信號輸出端14輸出至吸波負載03 ;光開關選通第一信號輸入端11的輸入信號于光開關的第一中間信號輸出端13輸出，并投射到光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22。因此，光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22的輸入信號等于第一信號輸入端11的輸入信號。
[0039]在上述單元器件的連接與配合工作下，通過時鐘信號輸入端的時鐘信號CP控制即可實現(xiàn)全光學的同步D觸發(fā)器功能。
[0040]本發(fā)明器件的光子晶體結構可以采用(2k+l) X (2k+l)的陣列結構，k為大于等于3的整數。下面結合附圖給出兩個實施例，在實施例中以11X11陣列結構，晶格常數d分別以I μ m及0.5208 μ m為例給出設計和模擬結果。
[0041]當CP = I時，光子晶體結構單元02的時鐘信號輸入端21的輸入信號A與時鐘控制信號CP同步，A = CP = I ;同時，光選通開關01第二信號輸入端12的參考光E于第二中間輸出端14輸出至吸波負載03 ;光開關選通01第一信號輸入端11的輸入邏輯信號D于光選通開關01的第一中間信號輸出端13輸出，并投射至光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22，即光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22的輸入信號B = D，由式子(2)可得到
[0042]Qn+1= D (3)
[0043]若D= !則儼=I ;若0 = O則Qn+1= 0，根據輸入信號D取值不同，系統(tǒng)輸出既可以置1，也可以置O。即此時系統(tǒng)的輸出信號24將跟隨邏輯輸入信號D。
[0044]當CP = O時，光子晶體結構單元02的時鐘信號輸入端21的輸入信號A與時鐘控制信號CP同步，A = CP = O ;同時，光開關選通01第一信號輸入端11的邏輯信號D于第二中間信號輸出端14輸出至吸波負載03 ;光開關選通01第二信號輸入端12的參考光E于第一中間信號輸出端13輸出，并投射至光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22，即光子晶體結構單元02的中間信號輸入端22的輸入信號B = E = 1，由式子(2)可得到
[0045]Qn+1= Qn (4)
[0046]可見，在CP = 0，無論信號D如何變化，系統(tǒng)鎖存上一時刻的系統(tǒng)輸出值。即此時系統(tǒng)輸出信號24將鎖存上一時刻系統(tǒng)的邏輯輸出量。
[0047]實施例1
[0048]結合上述邏輯特性，在晶格常數d為I μ m，工作波長為1.976 μ m，圓形高折射率線性介質桿25，采用硅(Si)材料，折射率為3.4，半徑為0.18 μ m ;第一長方形高折射率線性介質桿26，折射率為3.4，長邊為0.613 μ m，短邊為0.162 μ m ;第二長方形高折射率線性介質桿27，其介電常數與非線性介質桿弱光條件下的介電常數一致，第二長方形高折射率線性介質桿27的尺寸與第一長方形高折射率線性介質桿26的尺寸一致；中心非線性介質桿28采用克爾型非線性材料，邊長為1.5 μ m，弱光條件下的介電常數為7.9，三階非線性系數為1.33*10_2 ymVV2;兩兩相鄰的長方形線性介質桿相距0.2668 μ m?如圖3所示，在上述尺寸參數下，令D輸入如圖波形信號，在時鐘信號CP控制下，可得出該圖下方的系統(tǒng)輸出波形圖?？梢?，系統(tǒng)輸出在CP = I時跟隨D信號，CP = O時鎖存上一時刻輸出信號。
[0049]實施例2
[0050]晶格常數d = 0.5208 μm，工作波長為1.55 μπι,圓形高折射率線性介質桿25的半徑為0.093744 μ m ;第一長方形高折射率線性介質桿26的長邊為0.3192504 μ m，短邊為
0.0843696 μ m ;第二長方形高折射率線性介質桿27的尺寸與第一長方形高折射率線性介質桿26的尺寸一致；中心正方形非線性介質桿28的邊長為0.7812 μ m，三階非線性系數為
1.33*1(Γ2μπι2/ν2;兩兩相鄰的長方形線性介質桿相距0.13894944 μ mo如圖4所示，在上述尺寸參數下，令D輸入如圖波形信號，在時鐘信號CP控制下，可得出該圖下方的系統(tǒng)輸出波形圖。由圖4所示的輸入與輸出的邏輯關系可知，本發(fā)明通過尺寸縮放后，同樣可實現(xiàn)實施例I中相同的邏輯特性:在時鐘信號CP控制下，系統(tǒng)輸出在CP = I時跟隨D信號，CP =O時鎖存上一時刻輸出信號。
[0051]可見，本發(fā)明器件通過縮放，可在不同晶格常數及相應工作波長下實現(xiàn)同樣的邏輯功能，該邏輯功能符合同步D觸發(fā)器的邏輯特性。
[0052]以上所述本發(fā)明在【具體實施方式】及應用范圍均有改進之處，不應當理解為對本發(fā)明限制。
【權利要求】
1.一種光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:其包括一個光開關單元、一個光子晶體結構單元、一個內置或者外置的參考光源、一個內置或者外置的吸收負載；所述的光子晶體結構單元由兩個信號輸入端，一個信號輸出端及一個閑置端口組成；所述的光子晶體結構單元的第一端口為時鐘信號輸入端，該時鐘信號輸入端與時鐘控制信號CP連接；所述的光子晶體結構單元的第二端口為中間信號輸入端，該中間信號輸入端與所述光開關單元的第一中間信號輸出端連接；邏輯信號D與所述光開關單元的第一信號輸入端連接；所述內置或者外置的吸收負載與所述光開關單元的第二中間信號輸出端連接；所述內置或者外置的參考光源與所述光開關單元的第二信號輸入端連接；所述的第二信號輸入端為參考光輸入端，該參考光輸入端與一個內置或者外置的參考光源的輸出端連接。
2.按照權利要求1所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述的光子晶體結構單元為一個二維光子晶體交叉波導非線性腔，該二維光子晶體交叉波導非線性腔中心由十二根長方形高折射率線性介質桿與一根正方形非線性介質桿在縱、橫兩個波導方向呈準一維光子晶體排列，中心正方形非線性介質桿與相鄰的四根長方形線性介質桿相貼，該中心正方形非線性介質桿為克爾型非線性材料，弱光條件下的介電常數為7.9，所述高折射率線性介質桿的介電常數與非線性介質桿弱光條件下的介電常數相等。
3.按照權利要求2所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述的高折射率線性介質桿由二維光子晶體“十”字交叉波導四端口網絡構成，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；在所述交叉波導的中部設置有中間介質柱，該中間介質柱為非線性材料；所述準一維光子晶體結構與中間介質柱構成波導缺陷腔。
4.按照權利要求1所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述光子晶體為(2k+l) X (2k+l)的陣列結構，k為大于等于3的整數。
5.按照權利要求1所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述的開關為2X2光選通開關，其包括一個時鐘信號CP控制端、一個第一信號輸入端、一個第二信號輸入端、一個第一中間信號輸出端和一個第二中間信號輸出端；所述的第一信號輸入端為系統(tǒng)信號輸入端；所述的第二信號輸入端為參考光輸入端。
6.按照權利要求2所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述二維光子晶體的高折射率線性介質桿的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
7.按照權利要求3所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述交叉波導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。
8.按照權利要求3所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述中間介質柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形。
9.按照權利要求3所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述交叉波導的準一維光子晶體中的介質柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
10.按照權利要求1所述的光子晶體全光學D觸發(fā)器，其特征在于:所述二維光子晶體的背景填充材料包括空氣和折射率小于1.4的低折射率介質。
【文檔編號】H03K3/42GK104485928SQ201410799752
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權日:2014年12月19日
【發(fā)明者】歐陽征標, 余銓強 申請人:歐陽征標, 深圳大學