本發(fā)明涉及一種基于電致折變和光致截斷的電光邏輯或非門，屬于光電子信息、集成光電子學(xué)及光電邏輯運算領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，由納米晶體管構(gòu)成的微處理器已廣泛應(yīng)用于計算、控制和通信等信息技術(shù)領(lǐng)域。而且，基于50納米加工工藝的超快晶體管也已實現(xiàn)量產(chǎn)，為進一步推進超快計算的商用化打下了堅實基礎(chǔ)。然而，由于處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞以及處理器之間的數(shù)據(jù)傳遞受到銅導(dǎo)線傳輸速率的嚴重制約，使得信息延遲加劇，阻礙了數(shù)字電路的進一步發(fā)展，形成了所謂的“電子瓶頸”。此外，雖然中長距離有線通信已實現(xiàn)了信息的光傳輸，但是通信系統(tǒng)中需要光電轉(zhuǎn)換器件和電光轉(zhuǎn)換器件。這不僅影響了系統(tǒng)的整體運行速度，還造成了傳輸信號功率易損耗和信號易失真，而且增加了系統(tǒng)硬件成本。由于以上問題的存在，近年來微處理器的提速已經(jīng)明顯地減緩。

為了解決這一問題，光邏輯門器件逐漸被關(guān)注和研究。光邏輯門器件可以直接實現(xiàn)光信號的處理，替換電子邏輯門器件的同時，也省去了光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)。例如，全光邏輯門可以實現(xiàn)光尋址、開關(guān)、奇偶校驗、數(shù)字編碼和加密等，在高速光通信網(wǎng)絡(luò)方面有著巨大的潛在應(yīng)用。至今，光邏輯門技術(shù)主要是基于光纖、半導(dǎo)體光放大器、微共振器和光子晶體等。然而，這些傳統(tǒng)技術(shù)都存在各自的缺點。基于光纖的邏輯門無法實現(xiàn)單片集成，基于半導(dǎo)體光放大器和微共振器的邏輯門都嚴重受限于白發(fā)輻射噪聲，基于光子晶體的邏輯門需要周期性結(jié)構(gòu)材料，缺少成熟的集成工藝。另外，基于以上所有技術(shù)的光邏輯門都存在難與成熟的電子器件或者電子線路有效對接的問題。若要實現(xiàn)電路與光路的有效對接，或者說電信號與光信號真正的有效轉(zhuǎn)換，電信號和光信號的直接運算必不可少。目前，這方面的研究鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于電致折變和光致截斷的電光邏輯或非門。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種電光邏輯或非門，其特征在于，在垂直方向上分為兩層，一層為基板，另一層包括一對電極、光波通路及其余的包層，其中，光波通路構(gòu)成至少兩個耦合器，分別定義為耦合器一及耦合器三，耦合器一由通過電極施加的電壓控制以實現(xiàn)電致折變效應(yīng)，耦合器三傳導(dǎo)抽運光以完成光致截斷效應(yīng)。

優(yōu)選地，所述耦合器一通過耦合器二與耦合器三相連；所述耦合器一和耦合器二采用具有光致截斷效應(yīng)的材料，所述耦合器三采用光波導(dǎo)材料。

優(yōu)選地，所述耦合器一及所述耦合器二為單波長耦合器，所述耦合器三為多波長耦合器。

優(yōu)選地，所述耦合器一、所述耦合器二及所述耦合器三的主體部分由兩條靠得很近的光波通路構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述耦合器一的主體部分的一端引出有觸發(fā)端口，另一端分別引出有干涉臂一及干涉臂二，干涉臂二自所述一對電極中間穿過，干涉臂一及干涉臂二與所述耦合器二相連。

優(yōu)選地，所述耦合器三的主體部分的一端與所述耦合器二相連，另一端分別引出有輸入光端口及輸出光端口。

優(yōu)選地，所述一對電極中的一個與引線引出端口相連。

本發(fā)明基于材料的電致折變效應(yīng)和光致截斷效應(yīng)，利用電壓改變材料的折射率，進而改變輸出端口的功率分配，還利用抽運光對信號光的截斷效應(yīng)影響輸出端口的功率分配。

本發(fā)明首次將電致折變效應(yīng)和光致截斷效應(yīng)結(jié)合起來實現(xiàn)無高功率闕值要求、集成化、可直接完成電信號與光信號邏輯運算的光電混合邏輯門，其具有以下有益效果：

1、本發(fā)明可實現(xiàn)一路光信號與一路電信號的直接邏輯運算，不同于以往的邏輯門只能實現(xiàn)兩路光信號或者兩路電信號的邏輯運算。這種光電直接混合邏輯運算器件非常適合與傳統(tǒng)電子元器件及電子線路對接與集成。

2、本發(fā)明采用集成光電子結(jié)構(gòu)，比基于光纖、半導(dǎo)體光放大器等技術(shù)的光邏輯門更緊湊，并且由于避免了光路搭建和光釬連接，可以顯著降低插入損耗。

3、不需要非線性材料，因而降低了對輸入光功率的要求。

附圖說明

圖1是器件在電極位置的左視圖；

圖2是器件的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；

圖3是四種狀態(tài)下端口的信號強度分布圖；

圖3a是A＝“0”，B＝“0”；

圖3b是A＝“0”，B＝“1”；

圖3c是A＝“1”，B＝“0”；

圖3d是A＝“1”，B＝“1”。

具體實施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種電光邏輯或非門在垂直方向為分層結(jié)構(gòu)，基板I采用一整塊圓形、長方形、正方形或者其它形狀的電光晶體材料，其上是一對電極5、光波通路II和其余包層部分。

電極5采用鋁、銀或銅(但不僅限于鋁、銀或銅)等常用金屬材料。

光波通路II構(gòu)成了三個耦合器——耦合器一1、耦合器二2和耦合器三3。耦合器一1和耦合器二2，是單波長耦合器，采用具有光致截斷效應(yīng)的材料。耦合器三3，是多波長耦合器，采用石英材料或者其它常用光波導(dǎo)材料。耦合器一1及耦合器三3是本發(fā)明中最主要的兩個耦合器，耦合器一1由電壓控制以實現(xiàn)電致折變效應(yīng)，耦合器三3傳導(dǎo)抽運光以完成光致截斷效應(yīng)。耦合器一1的干涉臂兩側(cè)有一對電極，用以施加電壓；耦合器三3為多波長耦合器，不僅可以傳輸抽運光，還可以傳輸信號光。耦合器二2的輸出功率可由基板I上的電極控制。

耦合器一1、耦合器二2和耦合器三3的主要部分都是由兩條靠的很近的光波通路構(gòu)成，依據(jù)光學(xué)隧道效應(yīng)，光波在此部分發(fā)生耦合。光波通路可以是脊型波導(dǎo)、掩埋型波導(dǎo)或者光折變波導(dǎo)等。

結(jié)合圖2，耦合器一1的一端引出有觸發(fā)端口E，另一端分別引出干涉臂一4和干涉臂二6。耦合器一1通過干涉臂一4和干涉臂二6與耦合器二2相連。耦合器二2與耦合器三3相連。耦合器三3分別引出有輸入光端口B及輸出光端口C。通過端口A在一對電極5的一個電極上施加電壓以改變基板I的折射率，并且通過輸入光端口B從耦合器三3引入抽運光，從而影響輸出光端口C的信號狀態(tài)，進而建立起各端口的邏輯狀態(tài)關(guān)系，形成邏輯或非門。

本發(fā)明提供的電光邏輯或非門利用電致折變效應(yīng)和光致截斷效應(yīng)，通過光波導(dǎo)耦合器控制光波的傳輸，在器件的端口處形成所需的邏輯狀態(tài)。電致折變效應(yīng)是一種通過在電光晶體上施加電壓致使晶體折射率發(fā)生改變的效應(yīng)，其折射率改變量與所施加的電壓大小有關(guān)。光致截斷效應(yīng)是一種在傳導(dǎo)信號光的非晶態(tài)材料波導(dǎo)上照射抽運光，導(dǎo)致信號光被截斷的效應(yīng)。

本發(fā)明涉及的光波控制分為兩種情況，一種是由改變兩條干涉臂(干涉臂一4和干涉臂二6)的相位差來完成，也就是改變耦合器二2的輸入信號的相位差來完成；另一種是由輸入光端口B進入的抽運光在耦合器二2與耦合器三3的連接處，通過改變非晶態(tài)材料的微觀狀態(tài)而直接截斷信號光。

本發(fā)明的電光邏輯或非門的邏輯狀態(tài)與各端口的信號強度有關(guān)。定義輸入端口、輸出端口和觸發(fā)端口的信號強度大于閾值時為邏輯狀態(tài)“1”，小于閾值時為邏輯狀態(tài)“0”。閾值既可以是電壓強度閾值，也可以是光強度閾值。

以下結(jié)合實例來進一步說明本發(fā)明。

器件基底I采用鈮酸鋰晶體材料。耦合器一1、耦合器一2、干涉臂一4以及干涉臂二6采用硫?qū)俨ＡЩ衔锊牧?，耦合器?采用石英材料，一對電極5采用鋁材料。耦合器一1和耦合器二2為3dB耦合器，干涉臂一4和干涉臂二6完全相同。由耦合器一1、耦合器二2、干涉臂一4、電極5和干涉臂二6組成的電光耦合器在無電壓情況下，實現(xiàn)完全交叉耦合；在加電壓情況下，實現(xiàn)完全平行耦合。耦合器三3是多波長耦合器，對信號光實現(xiàn)平行耦合，對抽運光實現(xiàn)交叉耦合。

耦合器一1的輸入端為器件的觸發(fā)端口E。電極5的一端接地，另一端由引線引出端口A。觸發(fā)端口E輸入633nm波長光，端口A加5V電壓，輸入光端口B輸入442nm波長光。

信號光觸發(fā)觸發(fā)端口E后，端口A的電信號與輸入光端口B的抽運光完成或非運算，運算結(jié)果由輸出光端口C輸出。邏輯器件的具體工作原理如下：信號光觸發(fā)觸發(fā)端口E，器件開始處于工作狀態(tài)。當(dāng)端口A沒有電壓信號(“0”)，并且輸入光端口B沒有導(dǎo)入抽運光(“0”)時，信號光完成交叉耦合，進而從輸出端口C出射(“1”)，如圖3(a)所示；當(dāng)端口A沒有電壓信號(“0”)，并且輸入光端口B導(dǎo)入抽運光(“1”)時，信號在耦合器二2與耦合器三3的連接處被截斷，進而無法從輸出端口C出射(“0”)，如圖3(b)所示；當(dāng)端口A有電壓信號(“1”)，并且輸入光端口B沒有導(dǎo)入抽運光(“0”)時，信號光完成平行耦合，進而從耦合器二2直接出射，因此輸出端口C無信號光出射(“0”)，如圖3(c)所示；當(dāng)端口A有電壓信號(“1”)，并且輸入光端口B導(dǎo)入抽運光(“1”)時，信號光完成平行耦合，進而從耦合器二2直接出射，因此輸出端口C無信號光出射(“0”)，如果3(d)。

以上所述的具體實施例對本發(fā)明做了進一步地詳細說明。需要強調(diào)的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明。但凡在本發(fā)明的思想和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。