[發明專利]基于垂直耦合微環激光器光學雙穩態的全光異或邏輯門

有效

• 申請號: 201410629019.2
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104360561B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 謝生;毛陸虹;郭婧;王浩
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02F3/00
• 分類號: G02F3/00;H01S5/343
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及全光邏輯運算器件領域，尤其涉及一種基于垂直耦合微環激光器光學雙穩態的全光異或邏輯門。

背景技術

隨著全球網絡速度的飛速發展，對光通信的傳輸容量和信息處理能力提出了更高的要求。由于傳統光通信系統存在著體積龐大、結構復雜、能耗高等難題，難以適應網絡速度的飛速發展和綠色節能環保的要求，所以解決上述問題的根本方法之一就是構建光電子集成芯片，直接在光域內對信號進行處理和交換。

全光異或邏輯門作為光信息處理單元中最重要的邏輯功能之一，它是二進制半加器及相關邏輯運算單元的基本構件。因此，如何設計高速、低損耗的全光“異或”邏輯門，并實現它與其他邏輯功能單元的單片集成是光信息處理和全光通信領域的研究熱點。

目前，已提出多種基于半導體光放大器(SOA)、光子晶體波導、微光機電系統(MOEMS)、微環諧振器和環形激光器等結構的全光“異或”邏輯門，并得到實驗驗證。與其它結構的邏輯門相比，基于環形激光器結構的全光“異或”邏輯門具有結構簡單緊湊、開關能量低、輸出消光比高、工作穩定、與半導體工藝兼容等優點。而且隨著工作速度的提高，器件尺寸和功耗可進一步降低，因而比基于半導體光放大器(SOA)和微光機電系統(MOEMS)的全光邏輯門更適合大規模集成。

最近，余思遠等人對側向耦合結構的微環激光器進行了系統研究，闡述了其中的非線性光學效應和光學雙穩態等基本物理現象的起源，并基于微環激光器的光學雙穩態實現了全光異或邏輯門。然而，側向耦合微環激光器的環形諧振腔和輸入/輸出波導處在同一平面，兩者的材料結構完全相同，因而輸入/輸出波導的吸收損耗大。另外，為了實現波導與環形諧振腔之間的高效耦合，二者的耦合間距極小(0.1～0.3μm)，因而必須使用電子束曝光、感應耦合等離子體刻蝕等半導體工藝設備。這不僅使得器件制備成本昂貴，而且工藝精度也難以控制。

發明內容

本發明提供了一種基于垂直耦合微環激光器光學雙穩態的全光異或邏輯門，本發明采用聚合物/Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體復合材料體系，設計、實現了工藝難度低、光損耗小、且與半導體制備工藝兼容的全光邏輯器件，詳見下文描述：

一種基于垂直耦合微環激光器光學雙穩態的全光異或邏輯門，包括：第一Y分支耦合器和第二Y分支耦合器，

所述第一Y分支耦合器的合束端接輸入信號A，兩個分支分別接第一衰減器和第三衰減器，所述第二Y分支耦合器的合束端接輸入信號B，兩個分支分別接第二衰減器和第四衰減器；

所述第一衰減器的另一端接第一納米線波導的輸入端，所述第二衰減器的另一端接第二納米線波導的輸入端，所述第三衰減器的另一端接第三納米線波導的輸入端，所述第四衰減器的另一端接第四納米線波導的輸入端；

所述第一納米線波導和所述第二納米線波導分別通過第一方向耦合器和第二方向耦合器將輸入光信號耦合進第一微環諧振腔，并在其中進行相應的邏輯運算，所述第一微環諧振腔經過所述第一方向耦合器將運算所得的輸出光信號耦合進所述第一納米線波導；

所述第三納米線波導和所述第四納米線波導分別通過第三方向耦合器和第四方向耦合器將輸入光信號耦合進第二微環諧振腔，并進行相應的邏輯運算，所述第二微環諧振腔經過所述第四方向耦合器將運算所得的輸出光信號耦合進所述第四納米線波導；

所述第一納米線波導和所述第四納米線波導的輸出光信號經過第三Y分支耦合器合束后，輸出運算結果。

所述第一納米線波導、所述第二納米線波導、所述第三納米線波導、所述第四納米線波導、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器及所述第三Y分支耦合器在同一平面內。

所述第一微環諧振腔在所述第一納米線波導和所述第二納米線波導下面的相鄰平面內，且位于所述第一納米線波導和所述第二納米線波導之間；所述第二微環諧振腔在所述第三納米線波導和所述第四納米線波導下面的相鄰平面內，且位于所述第三納米線波導和所述第四納米線波導之間。

所述第一納米線波導、所述第二納米線波導、所述第三納米線波導、所述第四納米線波導、所述第一微環諧振腔、所述第二微環諧振腔、所述第一Y分支耦合器、所述第二Y分支耦合器、所述第三Y分支耦合器和均采用條形或脊型波導結構，上述條形或脊型波導結構均滿足單模傳輸條件。

每個微環形諧振腔上都制作有相應的P型電極和N型電極，第一微環諧振腔、相應的P型電極和N型電極構成第一微環激光器，第二微環諧振腔、相應的P型電極和N型電極構成第二微環激光器。

本發明提供的技術方案的有益效果是：