[发明专利]一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构

说明书

技术领域

本发明涉及光子器件技术领域，尤其涉及一种可降低功耗的硅基级联谐振腔全光逻辑与门结构。

背景技术

全光逻辑门是未来光计算中的基本逻辑单元，是关键的核心器件。类似于电子学中的逻辑门，全光逻辑门是以波导中的光子作为信息的载体，通过控制泵浦光来调制信号光的输出。波导的各个输入输出端的对应关系可以构成一个真值表，其中逻辑状态(“0”或“1”)由端口的泵浦光和信号光的光功率决定：高功率对应逻辑值“1”，而低功率对应逻辑值“0”。而“与”逻辑的如下真值表所示：当控制信号A，B都为“1”时，对应的信号C为“1”；当控制信号A，B其中一个为“1”时，对应的信号C为“0”；当控制信号A，B都为“0”时，对应的信号C为“0”。

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

本发明中涉及到脊型和条形两种光学波导结构。其中脊型波导形状如“凸”字形，中间突出的部分成为内脊区，两边的延伸部分成为平板区。在波导中传播的光波主要限制在内脊区内。一方面脊型波导结构的内脊区和平板区的有效折射率差相对较小，因此放宽了波导的单模传输条件；另一方面脊型波导的平板区为有源器件提供了掺杂区，通常脊型波导主要应用在有源器件的设计和制作中。而条形波导的横截面为矩形，由于波导区与周围材料的折射率差比较大，因此可以做出更小尺寸的器件。

本发明中涉及到一维光子晶体光栅反射镜以及由一维光子晶体光栅反射镜构成的F-P谐振腔。光子晶体是由不同折射率的介质组成周期性排列而成的人工微结构。在这种微结构中不能传播特定频率的光波，因此我们可以利用光子晶体这个特性来制作我们需要的高反射率反射镜，从而获得F-P谐振腔。目前，利用SOI一维光子晶体做成的F-P谐振腔的Q值最高可以达到53000，这个Q值水平可以和其它谐振腔的Q值相比拟，例如微环谐振腔。由于F-P谐振腔的模场体积要远远小于微环谐振腔的模场体积，因此在F-P谐振腔中需要更低的光功率就可以产生双光子吸收效应，从而可以降低器件的功耗。

在半导体材料中会发生很多非线性光学效应，如双光子吸收效应等。我们可以利用这些非线性光学效应设计不同功能的全光逻辑门。双光子吸收效应是指，半导体材料可以同时吸收两个能量光子(1/2Eg＜光子能量＜Eg，Eg为半导体禁带宽度)激发价带电子形成电子空穴对。因为材料的折射率会随着载流子浓度变化，因此我们在F-P谐振腔中可以利用光生载流子改变材料的折射率来调制信号光的强度，最终实现全光逻辑。