CN104503022B - 一种基于y分叉的全光编码器 - Google Patents

一种基于y分叉的全光编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Y分叉的全光编码器，包括第一不对称Y分叉、第二不对称Y分叉、第三不对称Y分叉、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导和第三绝热锥形波导，第一不对称Y分叉、第二不对称Y分叉和第三不对称Y分叉级联第二不对称Y分叉和第三不对称Y分叉结构尺寸相同且对称级联在第一不对称Y分叉上，由此实现高速、紧凑以及可与CMOS工艺兼容的全光编码器；优点是克服了传统电光编码器的速度局限，同时不需要很高功率的泵浦光，成本较低，为实现光子计算机的基础元器件提供一种新的途径，在光交换、光判决以及光计算等光信息处理等方面具有广泛的应用前景和重要的应用价值。

Description

一种基于Y分叉的全光编码器
技术领域
本发明涉及一种编码器，尤其是涉及一种基于Y分叉的全光编码器。
背景技术
随着现代信息量的迅猛增长，人们对处理器处理信息能力要求越来越高。由于功耗和时延等因素的影响，提升单核处理器性能的发展遇到了瓶颈，因此现有的处理器大都采用并行的多核结构。而随着单片集成核数量的增加，如何在多核处理器之间以及多核处理器与外部的存储器之间实现高效的数据交换与处理成为了关键的问题。
光逻辑器件在光交换、光判决以及光计算等光信息处理中扮演着重要角色，近年来引起越来越多的关注。光编码器为目前重要组合逻辑器件之一，现有的光编码器主要包括电光编码器和全光编码器。电光编码器采用电信号控制信号光，在速度上具有局限性。而传统的全光编码器虽然速度较快，但是需要利用泵浦光来控制信号光的输出，其工作原理主要是直接或间接地利用波导的非线性效应，当材料中非线性效应较弱时，则需要使用很高功率的泵浦光，成本较高，使用受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种速度较快，且不需要利用很高功率的泵浦光，成本较低的基于Y分叉的全光编码器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于Y分叉的全光编码器，包括第一不对称Y分叉、第二不对称Y分叉、第三不对称Y分叉、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导和第三绝热锥形波导；
所述的第一不对称Y分叉包括第一主干波导、第一分支波导和第二分支波导，所述的第一分支波导和所述的第二分支波导的宽度之和与所述的第一主干波导的宽度相等；所述的第一分支波导的末端和所述的第二分支波导的末端分别与所述的第一主干波导的始端连接；所述的第二不对称Y分叉包括第二主干波导、第三分支波导和第四分支波导，所述的第三分支波导和所述的第四分支波导的宽度之和与所述的第二主干波导的宽度相等，所述的第三分支波导的末端和所述的第四分支波导的末端分别与所述的第二主干波导的始端连接；所述的第三不对称Y分叉包括第三主干波导、第五分支波导和第六分支波导，所述的第五分支波导和所述的第六分支波导的宽度之和与所述的第三主干波导的宽度相等，所述的第五分支波导的末端和所述的第六分支波导的末端分别与所述的第三主干波导的始端连接；
所述的第一分支波导的始端与所述的第一绝热锥形波导的大头端连接，所述的第一绝热锥形波导的大头端的宽度与所述的第一分支波导的宽度相等，所述的第二分支波导的始端与所述的第二绝热锥形波导的小头端连接，所述的第二绝热锥形波导的小头端的宽度与所述的第二分支波导的宽度相等，所述的第一主干波导的末端与所述的第三绝热锥形波导的大头端连接，所述的第三绝热锥形波导的大头端的宽度与所述的第一主干波导的宽度相等，所述的第四分支波导的始端和所述的第五分支波导的始端分别与所述的第三绝热锥形波导的小头端连接，所述的第四分支波导的宽度和所述的第五分支波导的宽度之和与所述的第三绝热锥形波导的小头端的宽度相等；
所述的第三分支波导的宽度、所述的第四分支波导的宽度、所述的第五分支波导的宽度和所述的第六分支波导的宽度相等，所述的第三分支波导的宽度大于所述的第二分支波导的宽度且小于所述的第一分支波导的宽度，所述的第二分支波导的宽度小于波导支持单模的最小宽度，所述的第三分支波导的宽度大于等于波导支持单模的最小宽度，所述的第二主干波导的长度与所述的第三主干波导的长度相等，所述的第三分支波导的长度与所述的第六分支波导的长度相等，所述的第四分支波导的长度与所述的第五分支波导的长度相等，所述的第二主干波导的长度和所述的第三分支波导的长度之和大于所述的第一分支波导的长度。
所述的第一主干波导、所述的第二主干波导、所述的第三主干波导、所述的第一分支波导、所述的第二分支波导、所述的第三分支波导、所述的第四分支波导、所述的第五分支波导和所述的第六分支波导均包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为硅，所述的芯层的折射率为3.467，所述的包层的材料为二氧化硅，所述的包层的折射率为1.444，所述的第二分支波导的宽度为0.2um，所述的第三分支波导、所述的第四分支波导、所述的第五分支波导和所述的第六分支波导的宽度均为0.45um，所述的第一主干波导的宽度为0.95um，所述的第一分支波导的长度为130um，所述的第二主干波导的长度和所述的第三分支波导的长度之和为365um，所述的第一分支波导的始端和所述的第二分支波导的始端之间的间距为1.8um，所述的第二分支波导的始端和所述的第六分支波导之间的横向间距为2um，所述的第一分支波导的始端和所述的第三分支波导之间的横向间距为4um，以保证模式在光波导中进行绝热传输的同时，防止模式在波导与波导间的串扰。
与现有技术相比，本发明的优点在于利用不对称Y分叉模式有效折射率匹配原则和对称Y分叉的功率均匀分配特性，通过第一不对称Y分叉、第二不对称Y分叉和第三不对称Y分叉级联，其中第二不对称Y分叉和第三不对称Y分叉结构尺寸相同对称级联在第一不对称Y分叉上，由此实现高速、紧凑以及可与CMOS工艺兼容的全光编码器，克服了传统电光编码器的速度局限，同时不需要很高功率的泵浦光，成本较低，为实现光子计算机的基础元器件提供一种新的途径，在光交换、光判决以及光计算等光信息处理等方面具有广泛的应用前景和重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的全光编码器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：实施例：如图1所示，一种基于Y分叉的全光编码器，包括第一不对称Y分叉1、第二不对称Y分叉2、第三不对称Y分叉3、第一绝热锥形波导4、第二绝热锥形波导5和第三绝热锥形波导6；第二不对称Y分叉2和第三不对称Y分叉3的结构完全相同且两者对称设置；
第一不对称Y分叉1包括第一主干波导11、第一分支波导12和第二分支波导13，第一分支波导12和第二分支波导13的宽度之和与第一主干波导11的宽度相等；第一分支波导12的末端和第二分支波导13的末端分别与第一主干波导11的始端连接；第二不对称Y分叉2包括第二主干波导21、第三分支波导22和第四分支波导23，第三分支波导22和第四分支波导23的宽度之和与第二主干波导21的宽度相等，第三分支波导22的末端和第四分支波导23的末端分别与第二主干波导21的始端连接；第三不对称Y分叉3包括第三主干波导31、第五分支波导32和第六分支波导33，第五分支波导32和第六分支波导33的宽度之和与第三主干波导31的宽度相等，第五分支波导32的末端和第六分支波导33的末端分别与第三主干波导31的始端连接；
第一分支波导12的始端与第一绝热锥形波导4的大头端连接，第一绝热锥形波导4的大头端的宽度与第一分支波导12的宽度相等，第二分支波导13的始端与第二绝热锥形波导5的小头端连接，第二绝热锥形波导5的小头端的宽度与第二分支波导13的宽度相等，第一主干波导11的末端与第三绝热锥形波导6的大头端连接，第三绝热锥形波导6的大头端的宽度与第一主干波导11的宽度相等，第四分支波导23的始端和第五分支波导32的始端分别与第三绝热锥形波导6的小头端连接，第四分支波导23的宽度和第五分支波导32的宽度之和与第三绝热锥形波导6的小头端的宽度相等；
第三分支波导22的宽度、第四分支波导23的宽度、第五分支波导32的宽度和第六分支波导33的宽度相等，第三分支波导22的宽度大于第二分支波导13的宽度且小于第一分支波导12的宽度，第二分支波导13的宽度小于波导支持单模的最小宽度，第三分支波导22的宽度大于等于波导支持单模的最小宽度，第二主干波导21的长度与第三主干波导31的长度相等，第三分支波导22的长度与第六分支波导33的长度相等，第四分支波导23的长度与第五分支波导32的长度相等，第二主干波导21的长度和第三分支波导22的长度之和大于第一分支波导12的长度。
本实施例中，第一主干波导11、第二主干波导21、第三主干波导31、第一分支波导12、第二分支波导13、第三分支波导22、第四分支波导23、第五分支波导32和第六分支波导33均包括波导主体和衬底，波导主体包括芯层和包覆在芯层外侧的包层，衬底固定在包层的底部，芯层的材料为硅，芯层的折射率为3.467，包层的材料为二氧化硅，包层的折射率为1.444，第二分支波导13的宽度为W0，W0＝0.2um，第三分支波导22、第四分支波导23、第五分支波导32和第六分支波导33的宽度均为W01，W01＝0.45um，第一主干波导11的宽度为W1，W1＝0.95um，第一分支波导12的长度为L0，L0＝130um，第二主干波导21的长度和第三分支波导22的长度之和为L1，L1＝365um，第一分支波导12的始端和第二分支波导13的始端之间的间距为Wd0，Wd0＝1.8um，第二分支波导13的始端和第六分支波导33之间的横向间距为Wd1，Wd1＝2um，第一分支波导12的始端和第三分支波导22之间的横向间距为Wd2，Wd2＝4um。
本实施例中，第二绝热锥形波导5的大头端为全光编码器的第一输入端Input1，第六分支波导33的始端为全光编码器的第二输入端Input2，第三分支波导22的始端为全光编码器的第三输入端Input3，第一绝热锥形波导4的小头端为全光编码器的第四输入端Input4，第三主干波导31的末端为全光编码器的第一输出端Ouput1，第二主干波导21的末端为全光编码器的第二输出端Ouput2，本实施例的全光编码器为4-2编码器。
本实施例的编码器的工作原理为：当输入光从全光编码器的第一输入端Input1输入时，由于第二分支波导13宽度W0小于波导支持单模的最小宽度，不足以支持单模传输，因此全光编码器的第一输出端Ouput1和全光编码器的第二输出端Ouput2均无输出光输出；当输入光从全光编码器的第二输入端Input2输入时，经第三不对称Y分叉3时，第六分支波导33中的基模将演变成第三主干波导31中的高阶模，因此输出光将从全光编码器的第一输出端Ouput1输出；当输入光从全光编码器的第三输入端Input3输入时，经第二不对称Y分叉2时，第三分支波导22中的基模将演变成第二主干波导21中的高阶模，因此输出光将从全光编码器的第二输出端Ouput2输出；当输入光从全光编码器的第四输入端Input4输入时，经第一不对称Y分叉1时，第一分支波导12中的基模将演变成第一主干波导11中的基模，而后通过对称的第四分支波导23和第五分支波导32实现光功率的均匀分离，最后均匀分离后的两束光分别经第二不对称Y分叉2和第三不对称Y分叉3时，将分别激励起第二主干波导21和第三主干波导31中的高阶模式，因此全光编码器的第一输出端Ouput1和全光编码器的第二输出端Ouput2均有输出光输出。

Claims (1)

1.一种基于Y分叉的全光编码器，其特征在于包括第一不对称Y分叉、第二不对称Y分叉、第三不对称Y分叉、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导和第三绝热锥形波导；所述的第二不对称Y分叉和所述的第三不对称Y分叉的结构完全相同且两者对称设置；
所述的第一不对称Y分叉包括第一主干波导、第一分支波导和第二分支波导，所述的第一分支波导和所述的第二分支波导的宽度之和与所述的第一主干波导的宽度相等；所述的第一分支波导的末端和所述的第二分支波导的末端分别与所述的第一主干波导的始端连接；所述的第二不对称Y分叉包括第二主干波导、第三分支波导和第四分支波导，所述的第三分支波导和所述的第四分支波导的宽度之和与所述的第二主干波导的宽度相等，所述的第三分支波导的末端和所述的第四分支波导的末端分别与所述的第二主干波导的始端连接；所述的第三不对称Y分叉包括第三主干波导、第五分支波导和第六分支波导，所述的第五分支波导和所述的第六分支波导的宽度之和与所述的第三主干波导的宽度相等，所述的第五分支波导的末端和所述的第六分支波导的末端分别与所述的第三主干波导的始端连接；
所述的第一分支波导的始端与所述的第一绝热锥形波导的大头端连接，所述的第一绝热锥形波导的大头端的宽度与所述的第一分支波导的宽度相等，所述的第二分支波导的始端与所述的第二绝热锥形波导的小头端连接，所述的第二绝热锥形波导的小头端的宽度与所述的第二分支波导的宽度相等，所述的第一主干波导的末端与所述的第三绝热锥形波导的大头端连接，所述的第三绝热锥形波导的大头端的宽度与所述的第一主干波导的宽度相等，所述的第四分支波导的始端和所述的第五分支波导的始端分别与所述的第三绝热锥形波导的小头端连接，所述的第四分支波导的宽度和所述的第五分支波导的宽度之和与所述的第三绝热锥形波导的小头端的宽度相等；
所述的第三分支波导的宽度、所述的第四分支波导的宽度、所述的第五分支波导的宽度和所述的第六分支波导的宽度相等，所述的第三分支波导的宽度大于所述的第二分支波导的宽度且小于所述的第一分支波导的宽度，所述的第二分支波导的宽度小于波导支持单模的最小宽度，所述的第三分支波导的宽度大于等于波导支持单模的最小宽度，所述的第二主干波导的长度与所述的第三主干波导的长度相等，所述的第三分支波导的长度与所述的第六分支波导的长度相等，所述的第四分支波导的长度与所述的第五分支波导的长度相等，所述的第二主干波导的长度和所述的第三分支波导的长度之和大于所述的第一分支波导的长度；
所述的第一主干波导、所述的第二主干波导、所述的第三主干波导、所述的第一分支波导、所述的第二分支波导、所述的第三分支波导、所述的第四分支波导、所述的第五分支波导和所述的第六分支波导均包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为硅，所述的芯层的折射率为3.467，所述的包层的材料为二氧化硅，所述的包层的折射率为1.444，所述的第二分支波导的宽度为0.2um，所述的第三分支波导、所述的第四分支波导、所述的第五分支波导和所述的第六分支波导的宽度均为0.45um，所述的第一主干波导的宽度为0.95um，所述的第一分支波导的长度为130um，所述的第二主干波导的长度和所述的第三分支波导的长度之和为365um，所述的第一分支波导的始端和所述的第二分支波导的始端之间的间距为1.8um，所述的第二分支波导的始端和所述的第六分支波导之间的横向间距为2um，所述的第一分支波导的始端和所述的第三分支波导之间的横向间距为4um。
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