光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，它由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)光開(kāi)關(guān)單元、一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門(mén)和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；邏輯信號(hào)X與存儲(chǔ)器輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；存儲(chǔ)器輸出端與光開(kāi)關(guān)單元的延遲信號(hào)輸入端連接；光開(kāi)關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號(hào)輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP與非邏輯門(mén)輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端連接；非邏輯門(mén)輸出端與觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號(hào)輸出端與觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接；本發(fā)明易與其它光學(xué)邏輯元件集成。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二維光子晶體、光學(xué)與邏輯門(mén)

【背景技術(shù)】
[0002]1987年，美國(guó)8^11實(shí)驗(yàn)室的￡.^10110^1^011在討論如何抑制自發(fā)輻射和大學(xué)的3.了￠)1111在討論光子區(qū)域各自獨(dú)立地提出了光子晶體(91101:0111(3
的概念。光子晶體是一種介電材料在空間中呈周期性排列的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通常由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)材料構(gòu)成的人工晶體。
[0003]隨著光子晶體的提出和深入研宄，人們可以更靈活、更有效地控制光子在光子晶體材料中的運(yùn)動(dòng)。在與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)相結(jié)合下，人們通過(guò)設(shè)計(jì)與制造光子晶體及其器件不斷的往全光處理飛速邁進(jìn)，光子晶體成為了光子集成的突破口。1999年12月，美國(guó)權(quán)威雜志《科學(xué)》將光子晶體評(píng)為1999年十大科學(xué)進(jìn)展之一，也成為了當(dāng)今科學(xué)研宄領(lǐng)域的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。
[0004]全光邏輯器件主要包括基于光放大器的邏輯器件、非線(xiàn)性環(huán)形鏡邏輯器件、薩格納克干涉式邏輯器件、環(huán)形腔邏輯器件、多模干涉邏輯器件、耦合光波導(dǎo)邏輯器件、光致異構(gòu)邏輯器件、偏振開(kāi)關(guān)光邏輯器件、傳輸光柵光邏輯器件等。這些光邏輯器件對(duì)于發(fā)展大規(guī)模集成光路來(lái)說(shuō)都有體積大的共同缺點(diǎn)。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的提高，人們還發(fā)展研宄出了量子光邏輯器件、納米材料光邏輯器件和光子晶體光邏輯器件，這些邏輯器件都符合大規(guī)模光子集成光路的尺寸要求，但對(duì)于現(xiàn)代的制作工藝來(lái)說(shuō)，量子光邏輯器件與納米材料光邏輯器件在制作上存在很大的困難，而光子晶體光邏輯器件則在制作工藝上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
[0005]近年來(lái)，光子晶體邏輯器件是一個(gè)備受矚目的研宄熱點(diǎn)，它極有可能在不久將來(lái)取代目前正廣泛使用的電子邏輯器件。光子晶體邏輯器件可直接進(jìn)行全光的“與”、“或”、“非”等邏輯功能，是實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的核心器件，在實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的進(jìn)程中，基于“與”、“或”、“非”、“異或”等光子晶體邏輯功能器件已經(jīng)被成功設(shè)計(jì)研宄，而實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算的目標(biāo)仍需要各種各樣復(fù)雜的邏輯元器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，且易與其它光學(xué)邏輯元件實(shí)現(xiàn)集成的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)下列技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)光開(kāi)關(guān)單元、一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門(mén)和一個(gè)0觸發(fā)器單元組成；邏輯信號(hào)X通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端連接，所述的二分支波導(dǎo)輸出端分別與存儲(chǔ)器輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；所述存儲(chǔ)器輸出端與光開(kāi)關(guān)單元的延遲信號(hào)輸入端連接；所述光開(kāi)關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號(hào)輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號(hào)⑶通過(guò)一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接，所述的三分支波導(dǎo)輸出端分別與非邏輯門(mén)輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)⑶輸入端連接；所述非邏輯門(mén)輸出端與0觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號(hào)輸出端與0觸發(fā)器單元的0信號(hào)輸入端連接。
[0009]所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔，它由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端、下端、上端、右端分別設(shè)置有時(shí)鐘信號(hào)輸入端、中間信號(hào)輸入端、信號(hào)輸出端、閑置端；通過(guò)交叉叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，該中間介質(zhì)柱為非線(xiàn)性材料，所述中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線(xiàn)性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線(xiàn)性桿的介電常數(shù)與中心非線(xiàn)性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中間介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
[0010]所述光開(kāi)關(guān)單兀為一個(gè)2X2光選通開(kāi)關(guān)，它由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)⑶輸入端、一個(gè)延遲信號(hào)輸入端、一個(gè)邏輯信號(hào)輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；所述兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。
[0011]所述的存儲(chǔ)器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述存儲(chǔ)器的輸出信號(hào)為&步之前輸入存儲(chǔ)器的輸入信號(hào)；所述的延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述延遲器的輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在&步延遲。
[0012]所述的存儲(chǔ)器或延遲器為&步延遲的存儲(chǔ)器或延遲器。
[0013]所述0觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)0信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；所述0觸發(fā)器單元的輸入信號(hào)0與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號(hào)相等。
[0014]所述二維光子晶體為(21^+1) X (21^+1)結(jié)構(gòu)，其中&為大于等于3的正整數(shù)。
[0015]所述二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
[0016]所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)。
[0017]所述交叉波導(dǎo)中的準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的折射率為3.4或者大于2的值，且所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的積極有益效果是:
[0019]1.結(jié)構(gòu)緊湊，易于制作。
[0020]2.抗干擾能力強(qiáng)，易與其它光學(xué)邏輯元件集成。
[0021]3.具有高、低邏輯輸出對(duì)比度高，運(yùn)算速度快。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為圖1所示光子晶體結(jié)構(gòu)單元在晶格常數(shù)(1 = 1 VIII，工作波長(zhǎng)為2.976 V111的基本邏輯功能波形圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲自與邏輯門(mén)在晶格常數(shù)(1 = 0.5208 V111，工作波長(zhǎng)為1.55 的邏輯信號(hào)多步延遲自與變換邏輯功能的波形圖；
[0025]圖4為圖1所示二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔的邏輯功能真值表。
[0026]圖中:光子晶體結(jié)構(gòu)單元01時(shí)鐘信號(hào)輸入端11中間信號(hào)輸入端12閑置端13信號(hào)輸出端14圓形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿15第一長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿16第二長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿17中心非線(xiàn)性介質(zhì)桿18時(shí)鐘控制信號(hào)⑶邏輯信號(hào)X光開(kāi)關(guān)單元02延遲信號(hào)輸入端21邏輯信號(hào)輸入端22第一中間信號(hào)輸出端23第二中間信號(hào)輸出端24存儲(chǔ)器或延遲器03吸波負(fù)載040觸發(fā)器單元05時(shí)鐘信號(hào)輸入端510信號(hào)輸入端52系統(tǒng)信號(hào)輸出端53非邏輯門(mén)06

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元01、一個(gè)光開(kāi)關(guān)單元02、一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器03、一個(gè)吸波負(fù)載04、一個(gè)0觸發(fā)器單元05和一個(gè)非邏輯門(mén)06組成；光子晶體結(jié)構(gòu)單元01為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔，其設(shè)置在所述光開(kāi)關(guān)單元的后端，二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者為折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)，二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形，二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，該四端口網(wǎng)絡(luò)具有一種四端口的光子晶體結(jié)構(gòu)，左端為第一中間信號(hào)輸入端、下端為第二中間信號(hào)輸入端、上端為信號(hào)輸出端、右端為閑置端；通過(guò)交叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面為矩形，也可以采用多邊形、圓形或者橢圓形，其折射率為3.4或者大于2的值，在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，中間介質(zhì)柱為非線(xiàn)性材料，中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形，也可以采用多邊形、圓形或者橢圓形，準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中間介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。二維光子晶體陣列晶格常數(shù)為山陣列數(shù)為11X11 ；圓形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿25采用硅(31)材料，折射率為3.4，半徑為0.18(1 ；第一長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿26，折射率為3.4，長(zhǎng)邊為0.613(1,短邊為0.162(1 ；第二長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿27，其介電常數(shù)與非線(xiàn)性介質(zhì)桿弱光條件下的介電常數(shù)一致，第二長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿27的尺寸與第一長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿26的尺寸相等；中心正方形非線(xiàn)性介質(zhì)桿28采用克爾型非線(xiàn)性材料，邊長(zhǎng)為1.5山弱光條件下的介電常數(shù)為7.9，三階非線(xiàn)性系數(shù)為
1.3340—2 二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔中心由十二根長(zhǎng)方形高線(xiàn)性介質(zhì)桿與一根正方形非線(xiàn)性介質(zhì)桿在縱、橫兩個(gè)波導(dǎo)方向呈準(zhǔn)一維光子晶體排列，中心非線(xiàn)性介質(zhì)桿與相鄰的四根長(zhǎng)方形線(xiàn)性介質(zhì)桿相貼，距離為0，而兩兩相鄰的長(zhǎng)方形線(xiàn)性介質(zhì)桿相距0.2668山緊貼中心非線(xiàn)性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線(xiàn)性桿的介電常數(shù)與中心非線(xiàn)性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等。光開(kāi)關(guān)單元02為一個(gè)由時(shí)鐘信號(hào)⑶控制的2X2光選通開(kāi)關(guān)，該光選通開(kāi)關(guān)用于控制選擇邏輯信號(hào)進(jìn)行選擇輸出；光選通開(kāi)關(guān)由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)延遲信號(hào)輸入端、一個(gè)邏輯信號(hào)輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；存儲(chǔ)器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成，邏輯信號(hào)X通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端輸入，二分支波導(dǎo)輸出的一端連接存儲(chǔ)器03，存儲(chǔ)器03將輸出的延遲信號(hào)X (11-10輸出至光選通開(kāi)關(guān)的延遲信號(hào)輸入端21 ；延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成，存儲(chǔ)器或延遲器為匕步延遲的存儲(chǔ)器或延遲器，其設(shè)置在系統(tǒng)的輸入端與光開(kāi)關(guān)單元之間，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)并輸出信號(hào)X在&步之前的輸入信號(hào)X (=-10 ；延遲器輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在&步延遲；存儲(chǔ)器的另一端將邏輯信號(hào)X 00直接輸入至光選通開(kāi)關(guān)的邏輯信號(hào)輸入端22，光選通開(kāi)關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端23連接光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12、光選通開(kāi)關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端24連接吸波負(fù)載04，該吸波負(fù)載用于吸收進(jìn)入其內(nèi)的光波；時(shí)鐘控制信號(hào)⑶通過(guò)一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端輸入，三分支波導(dǎo)的第一輸出端連接非邏輯門(mén)06的輸入端、第二輸出端連接光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號(hào)輸入端11、第三輸出端連接光開(kāi)關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)⑶輸入端；非邏輯門(mén)06的輸出端連接0觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號(hào)輸入端51 ；非邏輯門(mén)設(shè)置在時(shí)鐘信號(hào)⑶輸入端與0觸發(fā)器單元之間，該非邏輯門(mén)用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行非邏輯運(yùn)算，并投射至0觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號(hào)輸入端51 ；0觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)0信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的信號(hào)輸出端14連接0觸發(fā)器單元05的0信號(hào)輸入端52，即0觸發(fā)器單元05的輸入信號(hào)0等于光子晶體結(jié)構(gòu)單元01輸出端14的輸出信號(hào)，0觸發(fā)器單元05的系統(tǒng)信號(hào)輸出端53即為本發(fā)明的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)的系統(tǒng)輸出端。
[0029]本發(fā)明基于圖1所示二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔所具有的光子帶隙特性、準(zhǔn)一維光子晶體缺陷態(tài)、隧穿效應(yīng)及光克爾非線(xiàn)性效應(yīng)，通過(guò)光開(kāi)關(guān)等單元器件的配合可實(shí)現(xiàn)多步延遲自與變換邏輯門(mén)功能。首先介紹本發(fā)明中光子晶體非線(xiàn)性腔的基本原理:二維光子晶體提供一個(gè)具有一定帶寬的光子帶隙，波長(zhǎng)落在該帶隙內(nèi)的光波可在光子晶體內(nèi)所設(shè)計(jì)好的光路中傳播，因此將器件的工作波長(zhǎng)設(shè)置為光子帶隙中的某一波長(zhǎng)；交叉波導(dǎo)中心所設(shè)置的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合中心非線(xiàn)性介質(zhì)桿的非線(xiàn)性效應(yīng)提供了一個(gè)缺陷態(tài)模式，當(dāng)輸入光波滿(mǎn)足一定光強(qiáng)時(shí)，使得該缺陷態(tài)模式偏移至系統(tǒng)的工作頻率，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，信號(hào)從輸出端14輸出。
[0030]當(dāng)晶格常數(shù)(1 = 1 V111，工作波長(zhǎng)為2.976 V111，參照?qǐng)D1中的光子晶體結(jié)構(gòu)單元01所示的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔，時(shí)鐘信號(hào)輸入端11與中間信號(hào)輸入端12為信號(hào)輸入端，端口 11輸入信號(hào)八，端口 12輸入信號(hào)8。如圖2所示本發(fā)明的二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔的邏輯輸出波形圖，當(dāng)端口 11與端口 12分別輸入如圖2所示的波形信號(hào)可得出該圖下方的邏輯輸出波形。根據(jù)圖2所示的邏輯運(yùn)算特性可得出圖4所示該結(jié)構(gòu)的邏輯運(yùn)算真值表。圖4中為現(xiàn)態(tài)為光子晶體結(jié)構(gòu)單元01輸出端14的信號(hào)輸出，即次態(tài)①+1。根據(jù)該真值表可得出結(jié)構(gòu)的邏輯表達(dá)式:
[0031]I = ^8+80 (1)
[0032]即
[0033]『+1=48+8011 (2)
[0034]根據(jù)上述二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔自身的基本邏輯運(yùn)算特性，以上一級(jí)的邏輯輸出作為邏輯輸入以實(shí)現(xiàn)既定的邏輯功能。
[0035]如圖1所示，當(dāng)⑶=1時(shí)，光選通開(kāi)關(guān)選通延遲信號(hào)輸入端21的輸入信號(hào)^匕；)由光選通開(kāi)關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12，即光子晶體結(jié)單元01的中間信號(hào)輸入端12的輸入信號(hào)等于延遲信號(hào)輸入端21的輸入信號(hào)；同時(shí)，光選通開(kāi)關(guān)選通邏輯信號(hào)輸入端22的邏輯信號(hào)乂匕)由光選通開(kāi)關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端24輸出，并投射至吸波負(fù)載04。
[0036]當(dāng)⑶=0時(shí)，光選通開(kāi)關(guān)選通延遲邏輯信號(hào)輸入端21的輸入信號(hào)X由光選通開(kāi)關(guān)的第二中間信號(hào)輸出端24輸出，并投射至吸波負(fù)載04 ；同時(shí)，光選通開(kāi)關(guān)選通邏輯信號(hào)輸入端由光選通開(kāi)關(guān)的第一中間信號(hào)輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12，即光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12的輸入信號(hào)等于邏輯信號(hào)輸入端22的邏輯信號(hào)^01+1).
[0037]通過(guò)上述配合即可實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號(hào)的多步延遲自與變換邏輯功能。
[0038]本發(fā)明器件的光子晶體結(jié)構(gòu)可以采用(21^+1) X (21.+1)的陣列結(jié)構(gòu)沽為大于等于3的整數(shù)。下面結(jié)合附圖給出的實(shí)施例，在實(shí)施例中以11X11陣列結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)以(1 =
0.5208 VIII為例給出設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果。
[0039]通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)⑶控制使其工作如下:
[0040]在、時(shí)刻，令⑶=1，光選通開(kāi)關(guān)接通延遲信號(hào)輸入端21的延遲信號(hào)至第二中間信號(hào)輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12；光選通開(kāi)關(guān)接通邏輯信號(hào)輸入端22的信號(hào)乂匕)至第二中間輸出端24輸出，并投射到吸波負(fù)載04 ；同時(shí)，光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號(hào)輸入端11的輸入信號(hào)與時(shí)鐘控制信號(hào)⑶同步，即八=⑶=1，由式子(2)可得出此時(shí)端口 14的輸出為
[0041]X(3)
[0042]在。時(shí)刻，令⑶=0，光選通開(kāi)關(guān)接通延遲信號(hào)輸入端21的延遲信號(hào)至第二中間信號(hào)輸出端24輸出，并投射到吸波負(fù)載04 ；光選通開(kāi)關(guān)接通邏輯信號(hào)輸入端22的信號(hào)1(=+1)至第一中間信號(hào)輸出端23輸出，并投射到光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的中間信號(hào)輸入端12 ；同時(shí)，光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的時(shí)鐘信號(hào)輸入端11與時(shí)鐘控制信號(hào)⑶同步，即八=⑶=0，由式子(2)可得出此時(shí)端口 14的輸出為
[0043]X (11+1)^(11-^) (4)
[0044]光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的輸出端口 14的輸出等于0觸發(fā)器單元05的0信號(hào)輸入端52的輸入，由式式子⑶與式子⑷可得出0信號(hào)輸入端52的輸入信號(hào)在= 1時(shí)0=X ；0？ = 0 時(shí) 0 = X (11+1) X.
[0045]由于0觸發(fā)器單元05的時(shí)鐘信號(hào)輸入端51與非邏輯門(mén)06的輸出連接，因此0觸發(fā)器單元05在⑶=0時(shí)，系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號(hào)0 = 1時(shí)，系統(tǒng)輸出保持上一時(shí)刻的輸入信號(hào)0。由此可得出本發(fā)明器件的系統(tǒng)輸出端口 53的輸出在⑶=0時(shí)，①+1: 0 =X (11+1)
[0046]X ；在下一時(shí)刻⑶=1時(shí)，系統(tǒng)輸出保持上一時(shí)刻的輸出，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的系統(tǒng)輸出為
[0047]X (11+1)^(11-^) (5)
[0048]可見(jiàn)，本發(fā)明器件可實(shí)現(xiàn)邏輯信號(hào)的多步延遲自與變換邏輯功能；若將上述存儲(chǔ)器改為一個(gè)&步的延遲器可實(shí)現(xiàn)同樣功能。
[0049]當(dāng)器件工作波長(zhǎng)為1.55 VIII，光子晶體結(jié)構(gòu)單元01的晶格常數(shù)(1為0.5208 V 0 ；圓形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿15的半徑為0.093744 11111 ；第一長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿16的長(zhǎng)邊為0.3192504 V111，短邊為0.0843696 V111 ；第二長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿17的尺寸與第一長(zhǎng)方形高折射率線(xiàn)性介質(zhì)桿16的尺寸一致；中心正方形非線(xiàn)性介質(zhì)桿18的邊長(zhǎng)為0.7812 三階非線(xiàn)性系數(shù)為1.33*10—2 ^！112八2；兩兩相鄰的長(zhǎng)方形線(xiàn)性介質(zhì)桿相距0.13894944^.110在上述尺寸參數(shù)下，當(dāng)光選通開(kāi)關(guān)的延遲信號(hào)輸入端21的延遲信號(hào)X與邏輯信號(hào)端的信號(hào)乂匕)如圖2所示的波形輸入，在時(shí)鐘信號(hào)⑶控制下，可得出該圖下方的系統(tǒng)輸出波形圖?？梢?jiàn)，系統(tǒng)將邏輯輸入量^01+1)與上一時(shí)刻的邏輯輸入量X 作與邏輯運(yùn)算。即實(shí)現(xiàn)了對(duì)邏輯信號(hào)的多步延遲自與變換邏輯功能。
[0050]結(jié)合圖3，本發(fā)明器件通過(guò)縮放，可在不同晶格常數(shù)及相應(yīng)工作波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯功能。
[0051]綜上可知，在所述非邏輯門(mén)和0觸發(fā)器單元的配合下，加入一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器、一個(gè)光開(kāi)關(guān)單元和一個(gè)吸波負(fù)載，通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)輸入端的時(shí)鐘信號(hào)⑶控制即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明全光邏輯信號(hào)的多步延遲自與變換邏輯門(mén)功能。
[0052]在集成光路的邏輯信號(hào)處理中，可定義一種單一邏輯信號(hào)的自卷積運(yùn)算，而上述邏輯信號(hào)的自與邏輯運(yùn)算即為邏輯信號(hào)自卷積運(yùn)算的基本運(yùn)算；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的邏輯信號(hào)自與變換邏輯功能對(duì)邏輯變量的自相關(guān)變換或自卷積運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)起著重要應(yīng)用。
[0053]以上所述本發(fā)明在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明限制。
【權(quán)利要求】
1.一種光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:它由一個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)單元、一個(gè)光開(kāi)關(guān)單元、一個(gè)存儲(chǔ)器或延遲器、一個(gè)吸波負(fù)載、一個(gè)非邏輯門(mén)和一個(gè)D觸發(fā)器單元組成；邏輯信號(hào)X通過(guò)一個(gè)二分支波導(dǎo)的輸入端連接，所述的二分支波導(dǎo)輸出端分別與存儲(chǔ)器輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的邏輯信號(hào)輸入端連接；所述存儲(chǔ)器輸出端與光開(kāi)關(guān)單元的延遲信號(hào)輸入端連接；所述光開(kāi)關(guān)單元的兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別與光子晶體結(jié)構(gòu)單元的中間信號(hào)輸入端和吸波負(fù)載連接；時(shí)鐘控制信號(hào)CP通過(guò)一個(gè)三分支波導(dǎo)的輸入端連接，所述的三分支波導(dǎo)輸出端分別與非邏輯門(mén)輸入端、光子晶體結(jié)構(gòu)單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端和光開(kāi)關(guān)單元的時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端連接；所述非邏輯門(mén)輸出端與D觸發(fā)器單元的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接；所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元的信號(hào)輸出端與D觸發(fā)器單元的D信號(hào)輸入端連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述光子晶體結(jié)構(gòu)單元為一個(gè)二維光子晶體交叉波導(dǎo)非線(xiàn)性腔，它由高折射率介質(zhì)桿構(gòu)成二維的光子晶體“十”字交叉波導(dǎo)四端口網(wǎng)絡(luò)，所述四端口網(wǎng)絡(luò)的左端、下端、上端、右端分別設(shè)置有時(shí)鐘信號(hào)輸入端、中間信號(hào)輸入端、信號(hào)輸出端、閑置端；通過(guò)交叉叉波導(dǎo)中心沿兩波導(dǎo)方向放置兩相互正交的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)；在交叉波導(dǎo)的中部設(shè)置中間介質(zhì)柱，該中間介質(zhì)柱為非線(xiàn)性材料，所述中間介質(zhì)柱的橫截面為正方形、多邊形、圓形或者橢圓形；緊貼中心非線(xiàn)性桿且靠近信號(hào)輸出端的一根矩形線(xiàn)性桿的介電常數(shù)與中心非線(xiàn)性桿在弱光條件下的介電常數(shù)相等；所述的準(zhǔn)一維光子晶體結(jié)構(gòu)與中間介質(zhì)柱構(gòu)成波導(dǎo)缺陷腔。
3.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述光開(kāi)關(guān)單元為一個(gè)2X2光選通開(kāi)關(guān)，它由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP輸入端、一個(gè)延遲信號(hào)輸入端、一個(gè)邏輯信號(hào)輸入端和兩個(gè)中間信號(hào)輸出端組成；所述兩個(gè)中間信號(hào)輸出端分別為第一中間信號(hào)輸出端、第二中間信號(hào)輸出端。
4.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述的存儲(chǔ)器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述存儲(chǔ)器的輸出信號(hào)為k步之前輸入存儲(chǔ)器的輸入信號(hào)；所述的延遲器由一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端組成；所述延遲器的輸出信號(hào)相對(duì)于延遲器的輸入信號(hào)存在k步延遲。
5.按照權(quán)利要求5所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述的存儲(chǔ)器或延遲器為k步延遲的存儲(chǔ)器或延遲器。
6.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述D觸發(fā)器單元由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端、一個(gè)D信號(hào)輸入端和一個(gè)系統(tǒng)輸出端組成；所述D觸發(fā)器單元的輸入信號(hào)D與光子晶體結(jié)構(gòu)單元輸出端的輸出信號(hào)相等。
7.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述二維光子晶體為(2k+l) X (2k+l)結(jié)構(gòu)，其中k為大于等于3的正整數(shù)。
8.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述二維光子晶體的高折射率介質(zhì)柱的橫截面為圓形、橢圓形、三角形或者多邊形。
9.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述二維光子晶體的背景填充材料為空氣或者折射率小于1.4的低折射率介質(zhì)。
10.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體全光多步延遲自與變換邏輯門(mén)，其特征在于:所述交叉波導(dǎo)中的準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的折射率為3.4或者大于2的值，且所述準(zhǔn)一維光子晶體中的介質(zhì)柱的橫截面形狀為矩形、多邊形、圓形或者橢圓形。
【文檔編號(hào)】G02F3/00GK104483801SQ201410796539
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】歐陽(yáng)征標(biāo), 余銓強(qiáng) 申請(qǐng)人:歐陽(yáng)征標(biāo), 深圳大學(xué)