光子晶体全光“与/或非”逻辑门
阅读说明：本技术 光子晶体全光“与/或非”逻辑门 (Photonic crystal all-optical AND/OR-NOR logic gate ) 是由 原瑞花 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光子晶体全光“与/或非”逻辑门,包括光子晶体结构、光信号输入端A、光信号输入端B、光信号输出端A和光信号输出端B。光子晶体结构为(2k+1)*(2k+7)的阵列结构,k为不小于2的整数。以光子晶体结构的中心孔为中心,中心孔左上45度及右下45度沿线上的空气孔的半径为r1,其余空气孔的半径为r2。2k个半径为r1的空气孔形成一个斜列,该斜列的左端与光信号输入端A相连,右端与光信号输出端B相连。光信号输出端A与光信号输入端A对称设置。光信号输入端B与光信号输出端B对称设置。该逻辑门在二维硅基平板上采用光子晶体方向带隙辐射原理,实现了全光与及或非功能,具有尺寸小,结构简单,无源低功耗等特点。(The invention relates to a photonic crystal all-optical AND/OR-NOT logic gate which comprises a photonic crystal structure, an optical signal input end A, an optical signal input end B, an optical signal output end A and an optical signal output end B. The photonic crystal structure is an array structure of (2k +1) × (2k +7), and k is an integer not less than 2. The center hole of the photonic crystal structure is taken as a center, the radius of the air holes along the line of 45 degrees at the upper left and 45 degrees at the lower right of the center hole is r1, and the radius of the rest air holes is r 2. The 2k air holes of radius r1 form a slant column, the left end of which is connected to the optical signal input terminal a and the right end of which is connected to the optical signal output terminal B. The optical signal output end A and the optical signal input end A are symmetrically arranged. The optical signal input end B and the optical signal output end B are symmetrically arranged. The logic gate adopts the photonic crystal directional band gap radiation principle on a two-dimensional silicon-based flat plate, realizes the all-optical AND/OR function, and has the characteristics of small size, simple structure, no source, low power consumption and the like.)
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种光子晶体全光“与/或非”逻辑门。
背景技术
近些年来，光子晶体(Photonic Crystals，简称PCs)以其独特的色散性质和对光的有效控制能力，同时光子晶体具有其尺寸和波长相比拟，易于集成的特点，使得它在集成光路小型化方面的设计和应用得到了国内外学者的广泛关注。自从光子晶体作为一种光子半导体材料出现，在信息处理技术的全光子化以及光子技术集成化方面起着无可替代的作用。光子晶体由于其操纵光的能力有目共睹，许多相关应用的设计方案纷纷被提出，人们设想可以利用光子晶体来实现电子器件的功能，如果把这些器件集成到半导体基板上，形成集成光路，从而大大减小所需的系统尺寸，得到和集成电路相似的应用。
作为全光处理和计算网络中最基本的功能单元，全光逻辑门类比于集成电路中的门电路，是指对光信号用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元，是实现高速光分组交换、数据编码、全光地址识别、信号再生、奇偶校验、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件。全光逻辑门在结构上的特点也与门电路相似，有两个或两个以上的输入端，有一个输出端，输入输出端处的信号一定是光信号。从逻辑关系看，每一个输入端或输出端只有两种状态“0”或者“1”，对于光信号来说这两种状态通常定义为输入端或输出端处光强的高低，也可以定义为特定传输、光偏振模式的状态。因此，对二维硅基平板光子晶体的无源全光逻辑门的研究，不但对其在全光信号处理与集成全光功能器件的应用具有重要指导意义，更是符合关于“加大基础材料研发力度”、“支持军民两用技术发展”的政策导向。
目前，实现全光逻辑门的常用方案有基于非线性光纤、基于半导体光放大器、基于光子晶体的方法。基于非线性光纤的方法稳定性好，但是难以集成；基于半导体光放大器的方法易于集成，但是工作时容易受到自发辐射的影响，响应时间只能达到纳秒级别；基于光子晶体的方法具有响应速度快、集成度高及结构紧凑等优点，对集成光路中光逻辑门的小型化起着重要作用。而在基于光子晶体实现逻辑门的主要方法有自准直效应、多模干涉效应和非线性效应等技术。自准直光束门需要在门的输入端设置一个移相器来实现逻辑运算，这将导致器件尺寸较大；多模干涉逻辑门对于不同的逻辑门，耦合长度不同且都需要精确的控制，故其结构变得复杂，增大了工艺难度；基于非线性材料的光子晶体逻辑门具有逻辑“1”和逻辑“0”的高对比度，但因为功耗高、相互作用时间长等限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体全光“与/或非”逻辑门，该逻辑门解决了现有技术中基于光子晶体实现逻辑门存在的难题，在二维硅基平板上采用光子晶体方向带隙辐射原理，实现了全光与及或非功能，具有尺寸小，结构简单，无源低功耗等特点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种光子晶体全光“与/或非”逻辑门，包括光子晶体结构、光信号输入端A、光信号输入端B、光信号输出端A和光信号输出端B。
所述光子晶体结构为(2k+1)*(2k+7)的阵列结构，k为不小于2的整数；以光子晶体结构的中心孔为中心，中心孔左上45度及右下45度沿线上的空气孔的半径为r1，其余空气孔的半径为r2；2k个半径为r1的空气孔形成一个斜列，该斜列的左端与光信号输入端A相连，右端与光信号输出端B相连；所述光信号输出端A与光信号输入端A对称设置，位于在光子晶体结构的右侧；所述光信号输入端B与光信号输出端B对称设置，位于光子晶体结构的左侧。
进一步的，所述光子晶体结构采用厚度为220nm的硅材料平板，光子晶体为正方晶格；设晶格常数为a，则r1＝0.24a，r2＝0.36a。
进一步的，所述光信号输入端A、光信号输出端A、光信号输入端B和光信号输出端B均采用宽度为2a的波导。
进一步的，在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端A或/和光信号输入端B，实现逻辑门与或非的功能。具体地说，所述光信号输出端A3的光约化频率在0.3138～0.3214范围内，且光信号输入端A2 和/或光信号输入端B4为0dB时，该逻辑门为与门。逻辑与门的效应指仅当输入双通道都处于激活状态时，输出端处于高输出状态，而单一输入通道激活或者无通道激活时，输出端处于低输出状态。所述光信号输出端B5的光约化频率在0.2938～0.3014和0.3066～0.3143范围内，且光信号输入端A2和/或光信号输入端B4为0dB时，该逻辑门为或非门。逻辑或非门的效应指当单一输入通道激活时，输出端处于高输出状态，而输入双通道都处于激活状态或者无通道激活时，输出端处于低输出状态。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)相比于现有技术中的光子晶体全光逻辑门，本发明的尺寸更小，结构上去除了多余的光子晶体区，整体结构更加紧凑；连接光信号输入端A与光信号输出端B的光子晶体斜列可视为通路，不再通过微腔结构实现逻辑功能。
(2)本发明所述的逻辑门的功能更强，逻辑或非门单输入与双输入信号相差从原来约27分之一降低至约为92分之一，阻断效果更明显。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是输入两端光输入与逻辑功能的关系表；
图3是本发明用于实现两种全光逻辑门光信号输出端A的光强图；
图4是本发明用于实现两种全光逻辑门光信号输出端B的光强图。
其中：
1、光子晶体结构，2、光信号输入端A，3、光信号输出端A，4、光信号输入端B，5、光信号输出端B，6、半径为r2的空气孔，7、半径为r1的空气孔，8、光子晶体结构的中心孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种光子晶体全光“与/或非”逻辑门，包括光子晶体结构1、光信号输入端A2、光信号输入端B4、光信号输出端A3和光信号输出端B4。
所述光子晶体结构1采用厚度为220nm的硅材料平板，光子晶体结构的光子晶体为正方晶格，晶格常数为a。所述光子晶体结构为(2k+1)*(2k+7) 的阵列结构，k为不小于2的整数，该阵列结构为长方形，其中2k+1为横轴方向上的空气孔孔数，2k+7为纵轴方向上的空气孔孔数。阵列结构中所有正方晶格之间的点心距相等。
光子晶体结构的空气孔的孔数横向和纵向均为奇数个，以光子晶体结构的中心孔8为中心，中心孔8左上45度及右下45度沿线上的空气孔的半径为r1，其余空气孔的半径为r2。中心孔8的半径也为r2。优选的，r1＝0.24a，r2＝0.36a。 2k个半径为r1的空气孔7均匀分布在中心孔8的两侧。
2k个半径为r1的空气孔7形成一个斜列，该斜列的左端与光信号输入端 A2相连，右端与光信号输出端B5相连。所述光信号输出端A3与光信号输入端A2关于中心孔所在的纵向列对称设置，光信号输出端A3位于在光子晶体结构1的右侧且与光子晶体结构1相连。所述光信号输入端B4与光信号输出端B5关于中心孔8所在的纵向列对称设置，光信号输入端B4位于光子晶体结构1的左侧且与光子晶体结构1相连。
进一步的，所述光信号输入端A2、光信号输出端A3、光信号输入端B4 和光信号输出端B5均采用宽度为2a的波导。
在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端a或/ 和光信号输入端b，实现逻辑与门的功能。
对于光信号输出端A：
当两输入光约化频率为0.3046d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为472.13nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端A测得输出能量为-38.69dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端A测得输出能量为-36.75dB。单输入与双输入信号相差+1.94dB，约为1.56倍，达到逻辑与门的功能。
对于光信号输出端B：
当两输入光约化频率为0.2962d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为459.11nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-22.29dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端B测得输出能量为-19.63dB。单输入与双输入信号相差+2.66dB，约为1.85倍，达到逻辑与门的功能。
当两输入光约化频率为0.3082d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为477.71nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-43.19dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，光信号输出端B测得输出能量为-38.56dB。单输入与双输入信号相差+4.63dB，约为2.9倍，达到逻辑与门的功能。
在一定光约化频率范围下，通过调控光子晶体结构中光信号输入端a或/ 和光信号输入端b，实现逻辑或非门的功能。
对于光信号输出端A
当两输入光约化频率为0.3186d/λ时(例如光波长λ等于1550nm时晶格常数d为493.83nm)，向光信号输入端a或者b输入能量为0dB，在光信号输出端B测得输出能量为-16.23dB，而同时向全光逻辑门光信号输入端a和b输入能量同样为0dB，输出波导A测得输出能量为-35.89dB。单输入与双输入信号相差-19.66dB，约为92分之一，达到逻辑或非门的功能。
从光信号输入端A与光信号输入端B两端输入光，输入光的波长满足特定约化频率a/λ时，输入端有无光的状态会影响输出端光强。本发明所述的逻辑门的逻辑功能的实现是通过某个输出端测到的某一约化频率下的光强大小随输入两端有没有光输入的关系确定的，具体关系如图2所示。图3描述的是仅有输入A端入光、仅有输入B端入光与输入AB两端同时入光三种情况时，输出A端接收到不同约化频率下输出光强的情况。图4描述的是仅有输入A 端入光、仅有输入B端入光与输入AB两端同时入光三种情况时，输出B端接收到不同约化频率下输出光强的情况。本发明中的光信号输入端A与光信号输入端B的输入光均采用波长为1550nm的通讯波段红外光光波。由图3和图4 可知，本发明能在某些特有的频率范围内实现逻辑功能，且逻辑功能效果更明显。
中国专利CN 108181773A公开了一种光子晶体全光可控式“与/或”逻辑门，该逻辑门存在器件尺寸大、逻辑功能指标高等不足。为了减小器件尺寸，本发明通过付出创造性劳动获知原结构右方两个无空气孔波导区域对逻辑功能的产生并没有直接影响，将原结构右方两个无空气孔波导区域去除，以明显的减小器件在输入输出方向的尺寸，同时要付出创造性劳动对逻辑门的结构进行设计，以确保去除后逻辑功能还能实现、逻辑功能实现的同时逻辑功能效果大大提高，单纯靠公知常识和常规的技术手段，是无法推断出此结构逻辑功能的具体形制的。通过逻辑功能模拟，可以明显看到本发明所述的逻辑门结构与中国专利CN 108181773A在实现逻辑功能的频率范围、逻辑功能种类以及逻辑功能指标方面均有显著不同，以两个结构的输出A通道为例，中国专利CN 108181773A输出A通道改变输入频率时只有“与”逻辑输出，而本发明则可同时输出“与”和“或非”两种逻辑。而且本发明结构的逻辑或非门单输入与双输入信号相差从原来约27分之一降低至约为92分之一，阻断效果更加明显。此现象并非仅靠经验得出，是付出创造性劳动才得以实现的。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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