CN102540625A

CN102540625A - 一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件

Info

Publication number: CN102540625A
Application number: CN2012100054873A
Authority: CN
Inventors: 肖金标
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN102540625B

Abstract

本发明公开了一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，其特征在于：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（1）和第二输入波导（2），两个输出波导，即第一输出波导（3）和第二输出波导（4），第一模式转换器（51），非线性定向耦合器（6），第二模式转换器（52），其中，第一输入波导（1）和第二输入波导（2）分别通过第一模式转换器（51）与非线性定向耦合器（6）连接，非线性定向耦合器（6）通过第二模式转换器（52）分别与第一输出波导（3）和第二输出波导（4）连接。本发明具有易于实现、工作速率快、功耗低、结构紧凑、价格相对低廉等优点。

Description

一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信***、光计算机***及光信号处理***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***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；

表1为本发明“非”（NOT）门的真值表；

表2为本发明“与”（AND）门和“或”（OR）门的真值表。

图中标号说明如下：

1－第一输入波导，2–第二输入波导， 3－第一输出波导，4–第二输出波导，

51–第一模式转换器，52－第二模式转换器， 6–非线性定向耦合器，

7–硅，8–二氧化硅，9–硅纳米晶体，10–低折射率填充材料（空气或二氧化硅）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明采用如下技术方案，一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件包括：包括有两个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的输入波导1，2，两个输出波导3，4，模式转换器51，52，非线性定向耦合器6，其中输入波导1，2和输出波导3，4与非线性定向耦合器6之间连接部分是第一模式转换器51和第二模式转换器52，实现输入波导1，2和输出波导3，4与三槽垂直硅基纳米线波导之间的模式转换，非线性定向耦合器6是由三槽垂直硅基纳米线波导在槽中填充非线性材料构成。

三槽垂直硅基纳米线波导由四个近靠的高折率分布差硅基纳米线（即掩埋矩形波导）构成，中间形成三个槽（即纳米尺度低折射率分布区），根据电磁场的边值关系，垂直于高折射率差分布的材料分界面上的电场分量将出现不连续性，由于槽的宽度（纳米量级）远小于矩形波导的特征衰减长度，使得低折射率的槽中的电场大大增强。与单槽波导结构相比，三槽垂直硅基纳米线波导结构有着更强的光场限制能力，但槽数目更多，光场限制能力提高不明显。所述为全光逻辑门的实现特征是：由于槽波导结构较强的偏振相关性，准横电模被严格限制在非线性的槽中，而准横磁模则扩散到硅纳米线包层中，因此，准横电模和准横磁模在非线性槽波导中的传播特性截然不同，当只有准横磁模入射到非线性定向耦合器中时，其传播情况与线性情况相同，当准横电模和准横磁模同时入射时，由于准横电模被很好的限制在低折射率的非线性槽中，受到非线性效应的作用，准横电模的传播特性与线性情况下不同，而且会引起同时输入的准横磁模信号的相位变化，导致相位失配，改变耦合状态，从而控制输出光场在定向耦合器两个输出端口之间切换。通过改变输入信号光偏振模式和对应输入端口的组合状态，使得输出波导相应输出不同的逻辑效果，实现不同的逻辑功能。

本发明公开了一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，旨在提供一种加工工艺简单、结构紧凑、性能优异、易于集成的全光逻辑门设计，可用于光信息处理、光通信和集成光学等领域。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1和第二输入波导2，两个输出波导，即第一输出波导3和第二输出波导4，第一模式转换器51，非线性定向耦合器6，第二模式转换器52，其中

第一输入波导1和第二输入波导2分别通过第一模式转换器51与非线性定向耦合器6连接，非线性定向耦合器6通过第二模式转换器52分别与第一输出波导3和第二输出波导4连接。

输入波导和输入光场偏振模式的不同组合输入状态决定了输出波导相应输出 “非” 、“与” 和“或”等多种不同的逻辑功能。

参考图1，它示出了本发明 “非”逻辑门的配置，其工作原理如下所述：光功率为P的信号A和信号B同时入射到第一输入波导1，信号经过第一模式转换器51进入非线性定向耦合器6，最后通过第二模式转换器52输出信号到第二输出波导4。设计中，信号A为准横磁模，信号B为准横电模，信号功率P大于能够引起非线性相位失配的阈值功率。当信号A的脉冲为“1”而信号B的脉冲为“0”时，信号A经过非线性定向耦合器6从第二输出波导4输出，即信号C为“1” ；当信号A和信号B的脉冲都为“1”时，由于准横电模被很好的限制在三槽垂直硅基纳米线波导的槽中，与槽中的非线性材料充分接触，由于较强的克尔非线性效应，导致在三槽垂直硅基纳米线波导中传播的光场产生非线性相移，因此，准横电模模，即信号B不会从第二输出波导4输出，同时，信号B在信号A上叠加了非线性微扰，导致信号A相位失配，从而信号A也不会被耦合到第二输出波导4中，即信号C为“0”。因此，在这种情况下，

Figure 2012100054873100002DEST_PATH_IMAGE001

，即实现了“非”NOT逻辑功能，其逻辑值从第二输出波导4输出。表1示出了其真值表。图2为非线性定向耦合器6的截面图，非线性定向耦合器6是由三槽垂直硅基纳米线波导构成，槽中填充有克尔非线性效应的硅纳米晶体材料，三槽垂直硅基纳米线波导结构参数的选择能够保证其构成的定向耦合器在线性情况下准横电模和准横磁模的有相同的耦合长度，非线性定向耦合器6的长度选择为该耦合长度的整数倍。图3a和图3b分别为三槽垂直硅基纳米线波导结构承载的准横电模和准横磁模的电场主分量模场分布图，准横电模的电场主分量E _x很好的限制在三个低折射率的槽中，而准横磁模的电场主分量E _y则扩散到了槽波导结构的包层中去，可见该结构对于准横电模的有着很强的光场限制能力，而对于准横磁模的光场限制能力较弱，因此有着较强的偏振相关性。

参考图4，它示出了本发明 “与”和“或”逻辑门的配置，其工作原理如下所述：光功率为P的信号A和信号B分别入射到第一输入波导1和第二输入波导2，两路信号分别经过第一模式转换器51进入非线性定向耦合器6的两个入射端，最后通过第二模式转换器52输出信号到第一出波导3和第二输出波导4。设计中，信号A为准横磁模，信号B为准横电模，信号功率P大于能够引起非线性相位失配的阈值功率。当信号A的脉冲为“1”而信号B的脉冲为“0”时，此时情况与线性情况相同，信号A经过非线性定向耦合器6从第二输出波导4输出，即信号C为“0” ，信号D为“1” ；当信号A的脉冲为“0”而信号B的脉冲为“1”时，由于相位失配，信号B经过非线性定向耦合器6后不会耦合到第一输出波导3中，而是从第二输出波导4中输出，即信号C为“0” ，信号D为“1” ；当信号A和信号B的脉冲都为“1”时，由于信号B叠加的非线性微扰，信号A在非线性定向耦合器6中传播时，同样由于相位失配不会耦合到第二输出波导4中，而是从第一输出波导3中输出，而信号B仍然从第二输出波导4中输出，即信号C为“1”，信号D为“1” 。因此，这种情况下，C=A·B，D=A+B，即实现了“与”AND和“或”OR的逻辑功能，逻辑“与”AND值从第一输出波导3输出，逻辑“或”OR值从第二输出波导4输出。表2示出了其真值表。

A	B	C
			1	0	1
1	1	0

表1

A	B	C	D
				0	0	0	0
1	0	0	1
				0	1	0	1
1	1	1	1

表2

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，其特征在于：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（1）和第二输入波导（2），两个输出波导，即第一输出波导（3）和第二输出波导（4），第一模式转换器（51），非线性定向耦合器（6），第二模式转换器（52），其中

第一输入波导（1）和第二输入波导（2）分别通过第一模式转换器（51）与非线性定向耦合器（6）连接，非线性定向耦合器（6）通过第二模式转换器（52）分别与第一输出波导（3）和第二输出波导（4）连接。

2. 根据权利要求1所述的基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，其特征在于：非线性定向耦合器（6）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（51）用于实现第一输入波导（1）、第二输入波导（2）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（52）用于实现三槽垂直硅基纳米线波导与第一输出波导（3）、第二输出波导（4）之间的模式转换。

3. 根据权利要求1所述的基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件，其特征在于：第一输入波导（1）、第二输入波导（2）、第一输出波导（3）和第二输出波导（4）均为绝缘层上的硅（SOI）脊波导结构，且能够同时承载准横电模和准横磁模。