[發明專利]基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或門

在審

• 申請號: 201510980343.3
• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105425504A
• 公開（公告）日: 2016-03-23
• 發明（設計）人: 楊修倫;孫曉雯;范冉冉
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G02F3/00
• 分類號: G02F3/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

技術領域

本發明涉及一種基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或門，屬于物理光學光子晶體的技術領域。

背景技術

光子晶體是由不同介電常數的介質材料在空間形成周期性結構，當光在其中傳播時受到調制形成光子能帶結構，在合適的晶格常數與介電常數比的條件下，出現光子帶隙，頻率落在光子帶隙中的光不能傳播。光子晶體通過帶隙來限制光的傳輸方向從而達到人為控制光的傳播方向進行導光。光子晶體中具有反常色散效應，包括負折射，自準直和超棱鏡效應等。在自準直效應中，光子晶體可以對光的傳播行為進行精確控制。

自準直效應是指電磁波在光子晶體中被周期性結構調制，如在真正的光學波導中一般，可沿著特定的方向無衍射傳輸。電磁波在光子晶體結構中的傳播方向是由光子晶體的色散曲面決定的，入射電磁波的傳播方向垂直于光子晶體的色散曲面。色散曲面在給定頻率處的橫截線被稱為等頻線(EFC)。對應于某一頻率的等頻線平坦時，以該頻率入射的電磁波可以出現自準直傳播現象。等頻線可以用多種數值方法計算得到，如平面波展開(PWE)法、時域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)等?；谧詼手毙墓馐蛛x器和干涉裝置已被實驗和理論驗證。光學開關和邏輯門是集成光路設計中的基本元器件，因此，此類光學設備已獲得了人們的廣泛關注。

早期通過電磁模擬，基于金屬波導網絡設計了光學干涉儀邏輯門，可實現所有的基本邏輯操作。后來又針對二進制相移鍵控提出了基于多模干涉波導的邏輯門?；诰€性光波干涉和非線性相位擦除效應，提出了可級聯和可重構的光子邏輯門。然而，已公開的光開關設計方面的工作大多基于的是光耦合效應，受到傳統波導中物理邊界的限制。

發明內容

本發明針對傳統光開關在波導中受到物理邊界限制的問題，提出一種能夠避免受到波導中物理邊界的限制，令入射光束沿著特定方向傳輸的基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或門。

本發明中的基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或門，采用以下技術方案：

該邏輯或門，包括一個正方晶格的光子晶體，該光子晶體具有自準直干涉效應；在光子晶體的內部制作有兩個沿自準直光束傳播方向(ΓM方向)排列的線缺陷，作為兩個分束器S₁和S₂，線缺陷的柱半徑分別為r_S1＝0.421a和r_S2＝0.39a，S₁是部分反射分束器，而S₂是全反射分束器；兩個分束器的距離Δl＝14a、25a、36a或51a，其中a＝0.4185μm；光子晶體中設置有兩個入射端口和一個輸出端口。通過調整缺陷柱半徑及兩輸入光束之間的光路差來調整兩輸入光束之間的相位差，兩輸入光束通過相消干涉或相長干涉實現邏輯功能。

所述正方晶格的光子晶體是以硅為背景材料的二維空氣孔正方晶格的光子晶體，背景材料硅的介電常數ε＝11.56。

所述光子晶體的大小為35a*35a，a＝0.4185μm。

所述光子晶體的柱半徑r＝0.3a，a＝0.4185μm。

所述入射端口的入射光束波長為1.55μm。

當r_S1＝0.421a時，S₁的功率透射率和反射率分別是T＝0.41699和R＝0.40831。

上述邏輯或門在光子晶體中引入缺陷，進行分光，形成自準直干涉效應，再利用自準直光束之間的干涉，通過調整分束器缺陷柱的半徑及兩束光之間的光路差，調整兩輸入光束之間的相位差。兩光束可以通過相消干涉或相長干涉來實現開關及邏輯功能。利用已知基本特性的分束器，布置光路，通過設置一定數據，利用時域有限差分法，設置完美匹配層(PML)邊界，實現邏輯或門的功能模擬。該方式不受到傳統波導中物理邊界的限制，具有更好的適應性。

本發明基于光子晶體的自準直干涉效應，通過調整分束器的柱半徑和兩束光之間的幾何路程差來產生所需的相位差，實現相長干涉或相消干涉，從而實現開關或邏輯功能。與傳統的利用耦合效應光學開關相比，基于自準直干涉效應的邏輯或門，可以不必利用傳統波導中物理邊界的限制，令入射光束沿著特定的方向傳輸。

附圖說明

圖1是光子晶體TE模式第二頻帶等頻線分布圖。光子晶體中空氣孔的半徑r＝0.3a，背景材料硅的介電常數ε＝11.56。

圖2是透過率T和反射率R隨分束器柱半徑r_d/a的變化曲線。