[發明專利]基于能谷光子晶體拓撲邊緣態的全光邏輯或門結構

在審

• 申請號: 202211043247.2
• 申請日: 2022-08-29
• 公開（公告）號: CN115494676A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 王曉蓉;費宏明;林翰;韓雨輝;武敏;康麗娟;張明達;劉欣;曹斌照
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G02F3/00
• 分類號: G02F3/00;G02B6/122
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 趙江艷

本發明涉及拓撲光子學及光通信系統領域，公開了一種實現全光邏輯或門的硅基能谷光子晶體結構，包括硅基底，所述硅基底上通過三條分界線分成了四個區域；四個區域內第一圓形空氣孔和第四空氣孔交錯分布，并在分界線處設置缺陷分別形成了INA、INB輸入波導，OUT1和OUT2輸出波導；本發明可以用于實現全光邏輯或門功能，實現了雙輸入端輸入不同波長的光實現邏輯或功能，且當OUT1輸出波導的輸出為邏輯1時的透射率高，均在0.8以上，邏輯對比度高。

技術領域

本發明涉及拓撲光子學及光通信系統領域，具體涉及基于能谷光子晶體拓撲邊緣態的全光邏輯或門。

背景技術

光量子計算及光通信系統的發展趨勢是光量子技術微型化和集成化，而全光邏輯門是光信號處理器和光通信系統的基本元件，是光量子計算芯片中的關鍵器件。然而，目前在光學信息處理過程中，由于使用了電子邏輯門，因此有必要始終使用復雜而繁瑣的電光轉換。因此，對全光邏輯門的設計提出了嚴格的要求。

具有理想性能的邏輯門是在抽象中對布爾值執行操作的邏輯門，它應該不會耗散功率，并且會瞬間改變狀態，類似于階躍函數。此類門操作在離散邏輯輸入上，不應有傳播延遲。對于全光邏輯門，由于光速很高，傳播延遲可以忽略。此外，可以通過實現高透射率來最小化功耗。此外，對于光子集成電路(PIC)中的操作，邏輯門應該具有小型化的封裝外形。最后，一般來說，對于量子計算，需要使用不同的光自旋狀態，因此，邏輯門應該具有自旋向上(右手圓極化，RCP)和自旋向下(左手圓極化，LCP)光的手性。

已經證明了許多全光邏輯門的設計，如半導體光放大器(SOA)，周期極化鈮酸鋰(PPLN)波導，環形諧振器，光子晶體(PC)。基于SOA的邏輯門的性能受到自發輻射噪聲和高集成復雜度的限制。基于半導體環形諧振器的邏輯門具有結構簡單、輸入功率低等優點，但速度很慢。基于PPLN波導的邏輯門開關速度快，自發輻射噪聲低。然而，這些門對溫度和極化有很強的依賴性，這限制了它們的應用。上述邏輯門尺寸都比較大，不適合于片上集成。相比之下，使用納米結構可以顯著減少全光邏輯門的占地面積，其光子晶體結構應用最為廣泛。PCs的不同效應已應用于邏輯門的設計，如：

1、自準直效應；例如在2016年，范冉冉她們(2D photonic crystal logic gatesbased on self-collimated effect,2016,Journal Of Physics D-applied Physics,49,325104)利用光子晶體中自準直光束之間的干涉，提出了四種可用于光子集成電路設計的邏輯門，即NOT、OR、AND和XOR門。通過調整分光器的半徑和分光器之間的光程差，使反射光束和透射光束之間產生一定的相位差，從而產生建設性或破壞性的干涉，實現邏輯運算。

2、多模干涉效應；2014年，殷洪璽小組(Design of all-optical logic gatesavoiding external phase shiftersin a two-dimensional photonic crystal basedon multi-modeinterference for BPSK signals,2014,Journal Of Physics D-appliedPhysics,49,325104)提出并設計了幾種基于多模干涉(MMI)的二維光子晶體(PC)全光邏輯門的新結構。在光子晶體器件的兩個輸入端口之間，通過兩個輸入端口不同長度的波導引入3π/2相移，使得邏輯門可以直接用于二進制相移鍵控(BPSK)信號的邏輯運算。實現了XOR、XNOR、OR和NAND邏輯門。

3、干涉波導；2020年，Dalai等人(Performance analysis of all-optical NAND,NOR,and XNOR logic gates using photonic crystal waveguide for opticalcomputing applications，2020，59(5):057101)采用波導干涉原理提出了一種能實現NAND，NOR、XNOR等邏輯功能的光子晶體結構，但該結構的對比度不高，有光從其他波導泄露的情況。