[发明专利]一种基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门及其逻辑运算方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种应用于全光计算、全光通信、集成光路等领域的对光波信号实现全光逻辑运算的光逻辑门运算器件，特别是涉及基于微环谐振腔非线性效应的全光逻辑门运算器件及其逻辑运算方法。

背景技术

在高速光通信网络中，光信号处理是必不可少的功能单元，而高速全光逻辑门是实现光信号处理的最基本功能组件，是关键的核心器件，因此在当今对带宽要求越来越高的情况下，如何实现更高速的全光逻辑门成为了光通信研究的热点。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。

MOEMS光逻辑是微机电系统技术与传统技术相结合的新型机械式光逻辑，具有较好的可集成性，并且它与光信号的格式、波长、协议、调制方式和偏振等均无关，此外它在损耗和可扩展性方面都要优于其他类型的光逻辑，与未来的光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。但是其缺点仍然是运算时间没有得到改善、开关门限值比较高，和未来的告诉光通信技术不相匹配，也就限制了它在未来高速通信网中的应用。近年来发展起来的波导型全光逻辑门虽然在速度方面有所提高，但一般仍然是微秒数量级，最快的也不过只是达到纳秒量级。对于当今想要实现的高速通信还是显得无能为力。

近年来发展起来的微环谐振腔，具有很高的品质因数、极小的模式体积和较高的消光比，并且具有较强的非线性效应。这些特点使得利用微环谐振腔来实现光逻辑门成为可能。另一方面，材料硅不仅在微电子领域中处于绝对的统治地位，而且硅以其自身的优势，在集成光学领域同样占有举足轻重的地位，拥有广阔的发展前景。尽管硅的非线性光学性能较弱，但是SOI这种高折射率差的材料可以对光波有很强的限制作用，并且它与成熟的CMOS工艺相兼容，成本较低，因此可以作为理想的光波导材料。由于微腔的周期仅为几个皮秒量级，所以其逻辑门响应速度相应地也为皮秒量级，很好地满足了未来高速全光通信的要求。通过微环谐振器内光场的增强，使得其开关门限值较低，对输入功率的要求降低了几个数量级。同时，它可以充分利用材料的非线性并且对目前光通信所采用的波长透明。另外，其尺寸微小可以方便地实现光学集成。鉴于其众多优越的性能，从而成为目前光通信领域研究的一个热点。

发明内容

本发明的目的是在克服上述现有技术的光逻辑器件的缺点和不足的基础上，设计和提供一种能够执行光逻辑运算并且结构简单、开关门限值低，功耗低、速度快、适用范围更广、能在半导体材料基片上采用集成制造工艺实现的光逻辑运算器件，即利用微环共振非线性效应实现逻辑门功能的全光逻辑门及其逻辑运算方法。

为实现上述目的，本发明的工作原理是主要是利用了波导中的非线性光学效应来实现全光控制。基于微环谐振器结构的全光逻辑门是利用微环谐振腔的谐振波长对波导折射率的敏感性，通过改变谐振波长调整其对信号光的耦合效率，从而达到全光逻辑的功能。

本发明的基于光波导微环谐振腔的全光逻辑门，包括：一个可输入信号光脉冲和控制光脉冲的光波导(1)，一个光波导微环谐振腔(2)，衬底(3)，缓冲层(4)以及与所述光波导(1)相连的入射光纤(5)及出射光纤(6)；其中所述光波导微环谐振腔(2)处于光波导(1)的输入端与输出端的中间位置。

优选地，所述光波导微环谐振腔(2)与所述光波导(1)之间存在0至1微米的距离，使所述光波导微环谐振腔(2)与光波导(1)谐振波长处的光相耦合。

优选地，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)以及缓冲层(4)依次覆盖在衬底(3)上。进一步优选地，所述光波导(1)、光波导微环谐振腔(2)和衬底(3)均为硅材料，所述缓冲层(4)为二氧化硅材料。

优选地，所述光波导(1)是几何形状为为端面长、宽各约1um、高为220nm的长方体，且为单模波导；所述衬底(3)和缓冲层(4)的几何形状为长方体。

优选地，所述光波导微环谐振腔(2)是刻蚀在缓冲层的上表面的平面环形微腔。

优选地，所述光波导(1)用于同时输入三束脉冲光，其中一束光为信号脉冲光，另外两束光均为控制脉冲光，并且所述微环谐振腔(2)用于基于三束脉冲光的不同组合输入状态形成不同的谐振状态，使波导输出端通过检测得到相应的逻辑运算功能。