CN104536239B - 光学时钟发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学时钟发生器，它包括一个非线性腔单元、一个十字波导逻辑门单元及一个延时器单元，光学时钟发生器为一种六端口的光子晶体结构，它由两个参考光信号输入端、一个反馈信号输入端、一个***信号及反馈信号输出端和两个闲置端口组成；十字波导逻辑门单元的输出端与非线性腔单元的输入端连接；非线性腔单元的***信号输出端与延时器单元的输入端连接；延时器单元的输出端与十字波导逻辑门单元的输入端连接；信号输出端与一个二分支波导连接，二分支波导一端作为***输出端口，另一端作为反馈信号输出端口连接至延时器单元的输入端，延时器单元对输入信号时间延时并输出至反馈信号输入端。本发明易与其它光学逻辑元件集成。

Description

光学时钟发生器
技术领域
本发明涉及二维光子晶体、非线性光学、光学时钟发生器。
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具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。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。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、抗干扰能力强，且易于与其它光学逻辑元件进行集成的光学时钟发生器。
为了解决上述存在的问题，本发明采用下列技术方案：
本发明的光学时钟发生器包括一个非线性腔单元、一个“十”字波导逻辑门单元及一个延时器单元，所述光学时钟发生器为一种六端口的光子晶体结构，它由两个参考光输入端、一个信号光输入端、一个***及反馈信号输出端和两个闲置端口组成；所述“十”字波导逻辑门单元为一个“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门；所述的“十”字波导逻辑门单元为一个四端口的波导网络的光子晶体结构，所述四端口网络的右端为第一参考光输入端、下端为信号光输入端、上端为中间信号输出端、左端为闲置端口；所述四端口网络的交叉中心设有一根高折射率介质柱；所述“十”字波导逻辑门单元设置不同的输入端口，进行全光信号的“非”逻辑运算；所述非线性腔单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，它由高折射率介质柱构成二维的光子晶体“十”字交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端为第二参考光输入端、下端为中间信号输入端、上端为***输出端、右端为闲置端口；所述交叉波导非线性腔中心由十二根高折射率线性介质柱与一根非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，在交叉波导的中部设置有非线性介质柱；所述“十”字波导逻辑门单元的中间信号输出端与所述非线性腔单元的中间信号输入端相连接；所述非线性腔单元的***输出端与所述延时器单元的输入端相连接；所述延时器单元的输出端与所述“十”字波导逻辑门单元的信号光输入端相连接；所述***输出端与一个二分支波导连接，该二分支波导一端作为***输出端，另一端作为反馈信号输出端连接至延时器单元的输入端，所述延时器单元对输入信号进行时间延时，反馈信号从输出端传输至信号光输入端的总延时时间为T0，***输出端产生一个周期为2*T0的时钟信号输出。
所述非线性腔单元的交叉波导中心沿两波导方向放置两个相互正交的准一维光子晶体结构；所述非线性介质柱的横截面为多边形、圆形或者椭圆形，该非线性介质柱为非线性材料；紧贴非线性介质柱且靠近信号输出端的一根矩形线性介质柱的介电常数与非线性介质柱在弱光条件下的介电常数相等；所述准一维光子晶体结构与非线性介质柱构成波导缺陷腔。
所述非线性介质柱的横截面为正方形。
所述交叉波导中的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为大于2的值。
所述交叉波导中的准一维光子晶体中的介质柱的折射率为3.4。
所述交叉波导中的准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为圆形或者多边形。
所述交叉波导中的准一维光子晶体中的介质柱的横截面形状为矩形。
所述二维光子晶体高折射率介质柱的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形或者多边形。
组成二维光子晶体的背景填充材料为折射率低于1.4的低折射率介质。
组成二维光子晶体的背景填充材料为空气。
所述二维光子晶体为(2m+1)×(2n+1)的阵列结构，其中m为大于等于5的整数,n为大于等于8的整数。
本发明的时钟信号发生器可广泛应用于光通信波段。它与现有技术相比，具有如下积极效果。
1.通过对延时器单元的延时时间的调节，进而得到不同时钟周期的全光时钟信号，从而实现全光学的光学时钟信号发生器。
2.具有结构紧凑，高、低逻辑输出对比度高，运算速度快，抗干扰能力强等优点，且易于与其它光学逻辑元件进行集成。
3.通过对本发明结构的缩放，光学时钟发生器的工作波段可调至光通讯波段。
附图说明
图1为本发明的光学时钟发生器结构图。
图中：非线性腔单元01 “十”字波导逻辑门单元02 延时器单元03 第一参考光输入端1 信号光输入端2 闲置端口3 第二参考光输入端4 ***输出端5 闲置端6 第一长方形高折射率线性介质柱11 第二长方形高折射率线性介质柱12 正方形非线性介质柱13 圆形高折射率线性介质柱14 圆形线性介质柱15
图2(a)为“十”字波导逻辑门单元结构图。
图中：第一参考光输入端1 信号光输入端2 闲置端口3 中间信号输出端7
图2(b)为非线性腔单元结构图。
图中：第二参考光输入端4 ***输出端5 闲置端口6 中间信号输入端8
图3为图2(b)所示非线性腔单元的基本逻辑功能波形图。
图4为本发明的光学时钟发生器不同周期的光学时钟信号波形图。
图5为图2(a)所示“十”字波导逻辑门单元的“非”逻辑门输入输出关系表。
图6为图2(b)所示非线性腔单元的逻辑功能真值表。
具体实施方式
参照图1，本发明的光学时钟发生器包括一个非线性腔单元01、一个“十”字波导逻辑门单元02及一个延时器单元03，光学时钟发生器为一种六端口的光子晶体结构，它由两个参考光信号输入端、一个信号光输入端、一个***及反馈信号输出端及两个闲置端口组成；“十”字波导逻辑门单元的输出端与非线性腔单元的输入端相连接，非线性腔单元的的***输出端与延时器单元的输入端相连接；延时器单元的输出端与“十”字波导逻辑门单元的输入端相连接；如图1中所示的非线性腔单元01为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，非线性腔单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，它由高折射率介质柱构成二维的光子晶体“十”字交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端为第二参考光输入端4、下端为中间信号输入端8、上端为***输出端5、右端为闲置端6；通过交叉波导中心沿两波导方向放置两个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非线性介质柱，所述非线性介质柱为非线性材料，该非线性介质柱的横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形；紧贴非线性柱且靠近信号输出端的一根矩形线性杆的介电常数与非线性柱在弱光条件下的介电常数相等；所述准一维光子晶体结构与非线性介质柱构成波导缺陷腔。
二维光子晶体交叉波导非线性腔中心由十二根长方形高线性介质柱与一根正方形非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，正方形非线性介质柱13与相邻的四根长方形线性介质柱相贴，距离为0，而两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668d；非线性腔单元01的第一长方形高折射率线性介质柱11，折射率为3.4，非线性腔单元01的第二长方形高折射率线性介质柱12，介电常数为7.9，其介电常数与非线性介质柱弱光条件下的介电常数一致，非线性腔单元01的第二长方形高折射率线性介质柱12的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱11的尺寸相同；非线性腔单元01的正方形非线性介质柱13，为克尔型非线性材料，弱光条件下的介电常数为7.9；圆形高折射率线性介质柱14采用硅(Si)材料，折射率为3.4。
本发明基于图2(b)所示光子晶体非线性腔单元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，配合一个延时器单元03及图2(a)所示的“十”字波导逻辑门单元所具有的逻辑运算特性，可实现光学时钟发生器。
首先介绍本发明中光子晶体非线性腔单元的基本原理：如图2(b)所示，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正方形非线性介质柱13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5输出。
“十”字波导逻辑门单元02如图2(a)所示，为一个“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门，可对输入信号进行逻辑运算，通过设置不同的输入或输出端口，可分别实现“非”、“异或”及“或”逻辑功能；“十”字波导逻辑门单元为一个四端口的波导网络的光子晶体结构，四端口网络的右端为第一参考光输入端1、下端为信号光输入端2、上端为中间信号输出端7、左端为闲置端3；四端口网络的交叉中心设有一根高折射率介质柱，通过设置不同的输入端口，可进行全光信号的“非”逻辑。如图2(a)所示的二维光子晶体列阵晶格常数为d，阵列数为11×11；“十”字交叉波导中心附近设置了一根圆形介质柱，设置“十”字交叉波导对称中心为原点(0，0)，则中心圆形介质柱圆心位置为(-0.188*d，-0.188*d)，半径为0.292*d。如图2(a)所示，第一参考光输入端1、信号光输入端2、闲置端3、中间信号输出端7，以参考光输入端口1作为第一参考光输入端，输入参考光E(E＝P0)，信号光端口2作为信号光输入端，信号输出端口7作为中间信号输出端，闲置端口3为闲置端，则该单元可实现对输入信号的“非”逻辑运算功能，如图5所示。
可见，图2(a)所示的“十”字波导逻辑门单元可实现对逻辑输入信号的“非”逻辑运算功能。
如图2(b)所示非线性腔单元，为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，根据其自身的逻辑运算特性，以上一级的逻辑输出作为逻辑输入以实现既定的逻辑功能；非线性腔单元01由高折射率介质柱构成二维的光子晶体“十”字交叉波导四端口网络，四端口网络的左端为第二参考光输入端4、下端为中间信号输入端8、上端为***输出端5、右端为闲置端口6；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非线性介质柱，非线性介质柱为非线性材料，横截面为正方形、多边形、圆形或者椭圆形；紧贴中心非线性介质柱且靠近信号输出端的一根矩形线性介质柱的介电常数与中心非线性介质柱在弱光条件下的介电常数相等；准一维光子晶体结构与线性介质柱构成波导缺陷腔。图中所示的二维光子晶体列阵晶格常数为d，阵列数为11×11。
当晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm，参照图2(b)所示的二维光子晶体交叉波导非线性腔单元，第二参考光输入端4输入信号A，中间信号输入端8输入信号B。如图3所示为本发明的二维光子晶体非线性腔单元01的***输出端5输出的逻辑输出波形图，第二参考光输入端4、中间信号输入端8，当第二参考光输入端4与中间信号输入端8分别输入如图3所示的信号A与信号B波形信号，得到图3下方的逻辑输出波形。根据图3所示的逻辑运算特性可得到图6所示该结构的逻辑运算真值表。图6中C为现态Qn，Y为非线性腔单元01***输出端5的信号输出，即次态Qn+1。根据真值表可得到非线性腔单元01的逻辑表达式：
Y＝AB+BC (1)
即
Qn+1＝AB+BQn (2)
图2(a)所示的“十”字波导逻辑门单元作为“非”逻辑门结构与图2(b)所示的非线性腔单元进行耦合连接时，图2(a)所示的“十”字波导“非”逻辑门的中间信号输出端7与图2(b)所示的非线性腔单元的中间信号输入端8连接，即“非”逻辑门的输出信号作为非线性腔单元的中间信号输入端8的输入信号，如图1所示。
图1中，第一参考光输入端1、第二参考光输入端4、信号光输入端2，当第一参考光输入端1与第二参考光输入端4分别输入参考光E1与E2(E1＝E2＝1)，信号光输入端2输入信号S1，则根据图1所示的“十”字波导逻辑门单元02的“非”逻辑门的逻辑运算特性和非线性腔单元01的逻辑表达式(2)，可得到图1所示结构的***输出端5的输出为：
其中，即为高对比度的“非”逻辑信号。可见，图1所示结构中，非线性腔单元01与“十”字波导逻辑门单元02的组合可实现输入信号的“非”逻辑运算功能。
此时，将***输出端5连接一个二分支波导，二分支波导一端作为***输出端，另一端作为反馈信号输出端连接至延时器单元03的输入端，延时器单元03对输入信号进行时间延时并输出至信号光输入端2，即延时器单元03将该信号光进行一定的延时后输出至信号光输入端2。如图1所示，延时器单元03以***输出端5的输出信号作为输入信号，通过设定延时器单元03的延时时间，使得反馈信号从***输出端5传输至信号光输入端2的总延时时间为T0，则***输出端5将产生一个周期为2*T0的时钟信号输出。
可见，本发明结构可实现全光学的光学时钟信号发生器。
本发明器件的光子晶体结构可以采用(2m+1)×(2n+1)的阵列结构，m为大于等于5的整数,n为大于等于8的整数。下面结合附图给出各两个实施例，本实施例中最好采用11×17阵列结构，二维光子晶体阵列的晶格常数d分别以1μm及0.5208μm为例给出设计和模拟结果。
实施例1
参照图1所示，晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm，圆形高折射率线性介质柱14的半径为0.18μm；第一长方形高折射率线性介质柱11的长边为0.613μm，短边为0.162μm；第二长方形高折射率线性介质柱12的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱11的尺寸一致；正方形非线性介质柱13的边长为1.5μm，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668μm；圆形线性介质柱15半径为0.292μm。
参照图1所示结构，第一参考光输入端1和第二参考光输入端4分别输入参考光E1和E2，其中E1＝E2＝1；当***输出端5的输出信号经反馈回路传输至信号光输入端2的总延时时间为T0＝16.65ps，则如图4中输出Y＝Y1所示，***输出端5输出时钟周期为T＝2*T0＝33.3ps的光学时钟信号波形。
实施例2
同理，参照图1所示，晶格常数d＝1μm，工作波长为2.976μm，圆形高折射率线性介质柱14的半径为0.18μm；第一长方形高折射率线性介质柱11的长边为0.613μm，短边为0.162μm；第二长方形高折射率线性介质柱12的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱11的尺寸一致；正方形非线性介质柱13的边长为1.5μm，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；两两相邻的长方形线性介质柱相距0.2668μm；圆形线性介质柱15的半径为0.292μm。
参照图1所示结构，第一参考光输入端1和第二参考光输入端4分别输入参考光E1和E2，其中E1＝E2＝1；当***输出端5的输出信号经反馈回路传输至信号光输入端2的总延时时间为T0＝30ps，则如图4中输出Y＝Y2所示，***输出端5输出时钟周期为T＝2*T0＝60ps的光学时钟信号波形。
实施例3
参照图1所示，晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm，圆形高折射率线性介质柱14的半径为0.0937μm；第一长方形高折射率线性介质柱11的长边为0.3193μm，短边为0.0844μm；第二长方形高折射率线性介质柱12的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱11的尺寸一致；正方形非线性介质柱13的边长为0.7812μm，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；两两相邻的长方形线性介质柱相距0.1389μm；圆形线性介质柱15的半径为0.0937μm。
参照图1所示结构，第一参考光输入端1和第二参考光输入端4分别输入参考光E1和E2，其中E1＝E2＝1；当***输出端5的输出信号经反馈回路传输至信号光输入端2的总延时时间为T0＝16.65ps，则如图4中输出Y＝Y3所示，***输出端5输出时钟周期为T＝2*T0＝33.3ps的光学时钟信号波形。
实施例4
参照图1所示，晶格常数d＝0.5208μm，工作波长为1.55μm，圆形高折射率线性介质柱14的半径为0.0937μm；第一长方形高折射率线性介质柱11的长边为0.3193μm，短边为0.0844μm；第二长方形高折射率线性介质柱12的尺寸与第一长方形高折射率线性介质柱11的尺寸一致；正方形非线性介质柱13的边长为0.7812μm，三阶非线性系数为1.33*10-2μm2/V2；两两相邻的长方形线性介质柱相距0.1389μm；圆形线性介质柱15的半径为0.0937μm。
参照图1所示结构，第一参考光输入端1和第二参考光输入端4分别输入参考光E1和E2，其中E1＝E2＝1；当***输出端5的输出信号经反馈回路传输至信号光输入端2的总延时时间为T0＝25ps，则如图4中输出Y＝Y4所示，***输出端5输出时钟周期为T＝2*T0＝50ps的光学时钟信号波形。
以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看做是对本发明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的人是显而易见的。

Claims (11)

1.一种光学时钟发生器，其特征在于：其包括一个非线性腔单元、一个“十”字波导逻辑门单元及一个延时器单元，所述光学时钟发生器为一种六端口的光子晶体结构，它由两个参考光输入端、一个信号光输入端、一个***输出端、反馈信号输出端及两个闲置端口组成；所述“十”字波导逻辑门单元为一个“十”字波导光子晶体光学“或”、“非”、“异或”逻辑门；所述的“十”字波导逻辑门单元为一个四端口的波导网络的光子晶体结构，所述四端口网络的右端为第一参考光输入端、下端为信号光输入端、上端为中间信号输出端、左端为闲置端口；所述四端口网络的交叉中心设有一根高折射率介质柱；所述“十”字波导逻辑门单元设置不同的输入端口，进行全光信号的“非”逻辑运算；所述非线性腔单元为一个二维光子晶体交叉波导非线性腔，它由高折射率介质柱构成二维的光子晶体“十”字交叉波导四端口网络，所述四端口网络的左端为第二参考光输入端、下端为中间信号输入端、上端为***输出端、右端为闲置端口；所述交叉波导非线性腔中心由十二根高折射率线性介质柱与一根非线性介质柱在纵、横两个波导方向呈准一维光子晶体排列，在交叉波导的中部设置有非线性介质柱；所述“十”字波导逻辑门单元的中间信号输出端与所述非线性腔单元的中间信号输入端相连接；所述非线性腔单元的***输出端与所述延时器单元的输入端相连接；所述延时器单元的输出端与所述“十”字波导逻辑门单元的信号光输入端相连接；所述***输出端与一个二分支波导连接，该二分支波导一端作为***输出端，另一端作为反馈信号输出端连接至延时器单元的输入端，所述延时器单元对输入信号进行时间延时，反馈信号从输出端传输至信号光输入端的总延时时间为T0，***输出端产生一个周期为2*T0的时钟信号输出。
2.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述非线性腔单元的交叉波导中心沿两波导方向放置两个相互正交的准一维光子晶体结构；所述非线性介质柱的横截面为多边形、圆形或者椭圆形，该非线性介质柱为非线性材料；紧贴非线性介质柱且靠近信号输出端的一根矩形线性介质柱的介电常数与非线性介质柱在弱光条件下的介电常数相等；所述准一维光子晶体结构与非线性介质柱构成波导缺陷腔。
3.按照权利要求2所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述非线性介质柱的横截面为正方形。
4.按照权利要求2所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述交叉波导中的准一维光子晶体中的线性介质柱的折射率为3.4。
5.按照权利要求2所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述交叉波导中的准一维光子晶体中的线性介质柱的横截面形状为圆形或者多边形。
6.按照权利要求5所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述交叉波导中的准一维光子晶体中的线性介质柱的横截面形状为矩形。
7.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述二维光子晶体高折射率介质柱的横截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。
8.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述二维光子晶体高折射率介质柱的横截面形状为三角形。
9.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：组成二维光子晶体的背景填充材料为折射率低于1.4的低折射率介质。
10.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：组成二维光子晶体的背景填充材料为空气。
11.按照权利要求1所述的光学时钟发生器，其特征在于：所述二维光子晶体为(2m+1)×(2n+1)的阵列结构，其中m为大于等于5的整数,n为大于等于8的整数。
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