CN104536237B - 光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关 - Google Patents

光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，它包括一个光子晶体结构单元、一个光开关、一个内置或外置的吸波负载、一个内置或外置的参考光源；所述的光子晶体结构单元由两个输入端，一个输出端及一个闲置端口组成，该光子晶体结构单元的第一输入端与逻辑信号连接；光开关的输入端与参考光源连接；光开关的第一中间信号输出端与光子晶体结构单元的第二输入端连接；吸波负载与光开关的第二中间信号输出端连接。本发明结构简单、易于制作；具有高、低逻辑输出对比度高，运算速度快。抗干扰能力强、易与其他光学逻辑元件集成。

Description

光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关
技术领域
本发明涉及二维光子晶体、光学抗干扰自锁触发开关。
背景技术
1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和Princeton大学的S.John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体(Photonic Crystal)的概念。光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通常由两种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。
随着光子晶体的提出和深入研究，人们可以更灵活、更有效地控制光子在光子晶体材料中的运动。在与传统半导体工艺和集成电路技术相结合下，人们通过设计与制造光子晶体及其器件不断的往全光处理飞速迈进，光子晶体成为了光子集成的突破口。1999年12月，美国权威杂志《科学》将光子晶体评为1999年十大科学进展之一，也成为了当今科学研究领域的一个研究热点。
全光逻辑器件主要包括基于光放大器的逻辑器件、非线性环形镜逻辑器件、萨格纳克干涉式逻辑器件、环形腔逻辑器件、多模干涉逻辑器件、耦合光波导逻辑器件、光致异构逻辑器件、偏振开关光逻辑器件、传输光栅光逻辑器件等。这些光逻辑器件对于发展大规模集成光路来说都有体积大的共同缺点。随着近年来科学技术的提高，人们还发展研究出了量子光逻辑器件、纳米材料光逻辑器件和光子晶体光逻辑器件，这些逻辑器件都符合大规模光子集成光路的尺寸要求，但对于现代的制作工艺来说，量子光逻辑器件与纳米材料光逻辑器件在制作上存在很大的困难，而光子晶体光逻辑器件则在制作工艺上具有竞争优势。
近年来，光子晶体逻辑器件是一个备受瞩目的研究热点，它极有可能在不久将来取代目前正广泛使用的电子逻辑器件。
在全光计算的进程中，基于“与”、“或”、“非”、“异或”等光子晶体逻辑功能器件已经被成功设计研究，而实现全光计算的目标仍需要各种各样复杂的逻辑元器件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，抗干扰能力强、易于与其他光学逻辑元件集成的全光学抗干扰自锁触发开关。
为了解决上述存在的技术问题，本发明通过下述技术方案：
本发明的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关包括一个光子晶体结构单元、一个光开关、一个内置或外置的吸波负载、一个内置或外置的参考光源；所述的光子晶体结构单元由两个信号输入端，一个信号输出端及一个闲置端口组成，该光子晶体结构单元的第一输入端与逻辑信号连接；光开关的输入端与参考光源连接；光开关的第一中间信号输出端与光子晶体结构单元的第二输入端连接；吸波负载与光开关的第二中间信号输出端连接。
所述的光子晶体结构单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，该二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质杆与一根正方形非线性介质杆在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，中心正方形非线性介质杆与相邻的四根长方形线性介质杆相贴，该中心正方形非线性介质杆为克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9，所述高折射率线性介质杆的介电常数与非线性介质杆弱光条件下的介电常数相等。
所述的高折射率线性介质杆由二维光子晶体“十”字交叉波导四端口网络构成，通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在所述交叉波导的中部设置有中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料；所述准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。
所述光子晶体为(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。
所述的开关为1×2光选通开关，其包括一个参考光输入端，一个控制输入端，一个第一中间信号输出端及一个第二中间信号输出端。
所述二维光子晶体的高折射率线性介质杆的横截面为圆形、椭圆形、三角形或者多边形。
所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为3.4或者大于2的值。
所述中间介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形。
所述交叉波导的准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为矩形、多边形、圆形或者椭圆形。
所述二维光子晶体的背景填充材料包括空气和折射率小于1.4的低折射率介质。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.光子晶体逻辑器件可直接进行全光的“与”、“或”、“非”等逻辑功能，是实现全光计算的核心器件，具有结构紧凑、运算速度快、高、低逻辑输出对比度高，响应速度快。
2.抗干扰能力强，易与其他光学逻辑元件集成。
3.本发明的光子晶体全光学逻辑器件具有自锁触发开关功能，并且可对干扰信号进行排除。
4.通过一个控制信号K，本发明器件均可实现全光学抗干扰自锁触发开关功能。
附图说明
图1示出本发明的全光学抗干扰自锁触发开关结构图。
图中：光子晶体结构单元01 第一输入端11 第二输入端12闲置端口13 输出端14 圆形高折射率线性介质杆15 第一长方形高折射率线性介质杆16 第二长方形高折射率线性介质杆17 中心非线性介质杆18 光开关02 吸波负载03 参考光源04 输出参考光E 逻辑输入信号X 控制信号K
图2为图1所示光子晶体结构单元在晶格常数d为1μm，工作波长为2.976μm的基本逻辑功能波形图。
图3为本发明在晶格常数d为1μm，工作波长为2.976μm的逻辑功能波形图。
图4为本发明在晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm的逻辑功能波形图。
图5为图1所示二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑功能真值表。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参照图1所示，光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关包括一个光子晶体结构单元01、一个光开关02、一个内置或外置的吸波负载03、一个内置或外置的参考光源04,光子晶体结构单元01由第一信号输入端11、第二信号输入端12，一个信号输出端14及一个闲置端口13组成，光子晶体结构单元01为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，二维光子晶体阵列晶格常数为d，阵列数为11×11；二维光子晶体交叉波导非线性腔的第一输入端11；二维光子晶体交叉波导非线性腔的第二输入端12；闲置端口13；全光抗干扰自锁触发器的输出端14；圆形高折射率线性介质杆15采用硅(Si)材料，折射率为3.4，半径为0.18d；第一长方形高折射率线性介质杆16，折射率为3.4，长边为0.613d，短边为0.162d；第二长方形高折射率线性介质杆17，其介电常数与非线性介质杆弱光条件下的介电常数一致，第二长方形高折射率线性介质杆17的尺寸与第一长方形高折射率线性介质杆16的尺寸一致；中心正方形非线性介质杆18采用克尔型非线性材料，边长为1.5d，弱光条件下的介电常数为7.9，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高折射率线性介质杆与一根正方形非线性介质杆在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，中心非线性介质杆与相邻的四根长方形线性介质杆相贴，距离为0，而两两相邻的长方形线性介质杆相距0.2668d，高折射率线性介质杆由二维光子晶体“十”字交叉波导四端口网络构成，通过交叉波导中心沿两波导方向放置两相互正交的准一维光子晶体结构；在交叉波导的中部设置有中间介质柱，该中间介质柱为非线性材料；准一维光子晶体结构与中间介质柱构成波导缺陷腔。
光开关02为1×2光选通开关，包括一个参考光输入端，一个控制输入端，一个第一中间信号输出端及一个第二中间信号输出端，光开关02的第一中间信号输出端与光子晶体结构单元01的第二输入端12相连接，光开关02的第二中间信号输出端与吸波负载03相连接，光开关的控制信号K用于控制参考光E于第一中间信号输出端或第二中间信号输出端输出；一个内置或外置吸波负载03，吸收进入其中的光波；一个内置或外置的参考光源04，参考光源04与光开关02的输入端相连接；逻辑信号X连接光子晶体结构单元01的第一输入端11；
本发明基于图1中01所示二维光子晶体交叉波导非线性腔所具有的光子带隙特性、准一维光子晶体缺陷态、隧穿效应及光克尔非线性效应，通过相关单元器件与控制信号K的配合工作，实现全光学的抗干扰自锁触发开关功能。首先介绍本发明中光子晶体非线性腔的基本原理：二维光子晶体提供一个具有一定带宽的光子带隙，波长落在该带隙内的光波可在光子晶体内所设计好的光路中传播，因此将器件的工作波长设置为光子带隙中的某一波长；交叉波导中心所设置的准一维光子晶体结构结合中心非线性介质杆的非线性效应提供了一个缺陷态模式，当输入光波满足一定光强时，使得该缺陷态模式偏移至***的工作频率，结构产生隧穿效应，信号从输出端14输出。
当晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm，参照图1所示的二维光子晶体交叉波导非线性腔，第一输入端11输入信号A，第二输入端12输入信号B。如图2所示，本发明的二维光子晶体交叉波导非线性腔的逻辑输出波形图，当第一端口11与第二端口12分别输入如图2所示波形信号可得出该图下方的逻辑输出波形。根据图2所示的逻辑运算特性可得出图5所示该结构的逻辑运算真值表。图5中C为现态Qn，Y为输出端的信号输出，即次态Qn+1。根据该真值表可得出结构的逻辑表达式：
Y＝AB+BC (1)即
Qn+1＝AB+BQn (2)
根据上述二维光子晶体交叉波导非线性腔的基本逻辑特性，在相关单元器件的配合工作下，通过控制信号K控制即可实现全光学抗干扰自锁触发开关功能。
本发明器件的光子晶体结构可以采用(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。下面结合附图给出两个实施例，在实施例中以11×11阵列结构，晶格常数d分别以1μm及0.5208μm为例给出设计和模拟结果。
抗干扰自锁触发开关：
在式(2)中令B＝0有
Qn+1＝0 (3)
在式(2)中令B＝1有
Qn+1＝A+Qn (4)
由上两式可见，当B＝0时，无论第一端口11的输入信号A置0或置1，***输出14始终为0；而当B＝1时，***的输出与第一端口11输入信号A及现态Qn有关，且不难发现，当现态Qn等于0时，***输出14等于第一端口11的输入信号A，但若输入信号A一旦置1，随后的***将锁定高逻辑1输出.
由上述逻辑特性可知，本发明器件具有抗干扰自锁触发开关功能。
如图1所示，逻辑信号X由第一输入端11输入；参考光信号E，E＝1；***的控制信号K。
当K＝0时，光开关02选通输入信号于第二中间信号输出端输出，即参考光E输入至吸波负载03单元。因此，光开关02的第一中间信号输出端无信号输出，光子晶体结构单元01的第二输入端12输入信号B＝K＝0，由式子(2)得到
Qn+1＝0 (3)
此时，无论第一端口11的输入信号A＝X为置0或置1信号，***输出14都为零。因此，控制信号K＝0为***的置零控制信号，抗干扰自锁触发开关处于清零阶段。
当K＝1时，光开关02选通输入信号于第一中间信号输入端输出，即参考光E输入至光子晶体结构单元01的第二输入端12，第二输入端12的输入信号B＝E＝1；第一端口11的输入信号A＝X，由式子(2)得到，
Qn+1＝X+Qn (4)
控制信号K由0置1的瞬间，式子(4)中的现态Qn＝0，该时刻***输出14为
Qn+1＝X (5)
在下一个置零控制信号来临之前，一旦信号X出现置1信号，无论往后的信号X如何变化，***输出将不受信号X的干扰而锁定高逻辑电平1输出，
Qn+1＝1 (5)
因此，控制信号K＝1为抗干扰自锁触发开关的正常工作信号，即自锁触发工作信号。
如图3与图4所示，本发明器件分别在晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm及晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm情况下，分别实现全光学抗干扰自锁触发开关的逻辑功能波形图。可见，本发明器件在K＝0时***置零，K＝1时***处于正常工作状态。结合图3与图4，本发明器件通过缩放，可在不同晶格常数及相应工作波长下实现同样的逻辑功能。
综上所述，通过一个控制信号K，本发明器件均可实现全光学抗干扰自锁触发开关功能。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (10)

1.一种光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：包括一个逻辑信号、一个参考光、一个控制信号、一个光子晶体结构、一个光开关 、一个吸波负载、一个参考光源；所述光开关为1×2光选通开关，包括一个参考光输入端、两个信号输出端；所述光子晶体结构为一个二维光子晶体“十”字交叉波导非线性腔，包括一个四端口、一个非线性腔；所述交叉波导的左端为第一输入端、下端为第二输入端、上端为输出端、右端为闲置端；所述交叉波导内设置非线性腔；所述非线性腔由八个第一长方形线性介质杆、四个第二长方形线性介质杆和一个正方形介质柱在纵、横两个波导方向分别构成准一维光子晶体结构，在所述非线性腔中心设置正方形介质柱，该介质柱为非线性介质柱；所述正方形介质柱的四周邻近处设置所述第二长方形线性介质杆；两两相邻的所述第一长方形线性介质杆相距0.2668d，其中d为光子晶体的晶格常数；所述逻辑信号与所述光子晶体结构的第一输入端连接；所述逻辑信号为***逻辑输入信号；所述光开关的输入端与所述参考光源输出的参考光连接；所述光开关的第一信号输出端与所述光子晶体结构的第二输入端连接；所述吸波负载与所述光开关的第二信号输出端连接；所述光子晶体结构的输出端为全光学抗干扰自锁触发开关的输出端,即***输出；通过所述控制信号工作，令所述控制信号等于零，所述控制信号与所述光子晶体结构的第二输入端的输入信号等于零，所述光子晶体结构的第一输入端的输入信号等于***逻辑输入信号，所述光子晶体结构的第一输入端的输入信号为零或1，所述光子晶体结构的输出端的输出为零，即***输出为置零的控制信号；令所述控制信号等于1, 所述参考光输入至所述光子晶体结构的第二输入端，即参考光输入端与光子晶体结构的第二输入端的输入信号等于1，所述光子晶体结构的第一输入端的输入信号等于***逻辑输入信号，该时刻光子晶体结构的输出端的输出为X+Qn，其中现态Qn=0，即***输出为 X，令所述逻辑信号等于1，所述***输出为1，随后的***逻辑输入信号为1或零,该***输出均锁定为1，实现全光学抗干扰自锁触发开关的逻辑功能。
2.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：所述正方形介质柱为克尔型非线性材料。
3.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：紧贴正方形非线性介质柱，且靠近所述光子晶体结构的信号输出端的第二长方形线性介质杆与所述正方形非线性介质柱在弱光条件下的介电常数为7.9。
4.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：二维光子晶体为 (2k+1)×(2k+1) 的线性介质杆阵列结构，其中K为大于等于3的整数。
5.按照权利要求4所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：二维光子晶体的线性介质杆的横截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。
6.按照权利要求 4所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：二维光子晶体的线性介质杆的横截面形状为三角形。
7.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：二维光子晶体的背景填充材料为折射率小于1.4的低折射率介质。
8.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：二维光子晶体的背景填充材料为空气。
9.按照权利要求 1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为大于2的值。
10.按照权利要求1所述的光子晶体全光学抗干扰自锁触发开关，其特征在于：所述第一、二长方形线性介质杆的折射率为3.4。
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