基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門，屬于物理光學(xué)光子晶體的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間形成周期性結(jié)構(gòu)，當(dāng)光在其中傳播時(shí)受到調(diào)制形成光子能帶結(jié)構(gòu)，在合適的晶格常數(shù)與介電常數(shù)比的條件下，出現(xiàn)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(dá)到人為控制光的傳播方向進(jìn)行導(dǎo)光。光子晶體中具有反常色散效應(yīng)，包括負(fù)折射，自準(zhǔn)直和超棱鏡效應(yīng)等。在自準(zhǔn)直效應(yīng)中，光子晶體可以對(duì)光的傳播行為進(jìn)行精確控制。
[0003]自準(zhǔn)直效應(yīng)是指電磁波在光子晶體中被周期性結(jié)構(gòu)調(diào)制，如在真正的光學(xué)波導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)于某一頻率的等頻線平坦時(shí)，以該頻率入射的電磁波可以出現(xiàn)自準(zhǔn)直傳播現(xiàn)象。等頻線可以用多種數(shù)值方法計(jì)算得到，如平面波展開(PWE)法、時(shí)域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)等?；谧詼?zhǔn)直效應(yīng)的光束分離器和干涉裝置已被實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證。光學(xué)開關(guān)和邏輯門是集成光路設(shè)計(jì)中的基本元器件，因此，此類光學(xué)設(shè)備已獲得了人們的廣泛關(guān)注。
[0004]早期通過電磁模擬，基于金屬波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了光學(xué)干涉儀邏輯門，可實(shí)現(xiàn)所有的基本邏輯操作。后來又針對(duì)二進(jìn)制相移鍵控提出了基于多模干涉波導(dǎo)的邏輯門。基于線性光波干涉和非線性相位擦除效應(yīng)，提出了可級(jí)聯(lián)和可重構(gòu)的光子邏輯門。然而，已公開的光開關(guān)設(shè)計(jì)方面的工作大多基于的是光耦合效應(yīng)，受到傳統(tǒng)波導(dǎo)中物理邊界的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)光開關(guān)在波導(dǎo)中受到物理邊界限制的問題，提出一種能夠避免受到波導(dǎo)中物理邊界的限制，令入射光束沿著特定方向傳輸?shù)幕谧詼?zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門。
[0006]本發(fā)明中的基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門，采用以下技術(shù)方案:
[0007]該邏輯與門，包括一個(gè)正方晶格的光子晶體，該光子晶體具有自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)；在光子晶體的內(nèi)部制作有七個(gè)沿自準(zhǔn)直光束傳播方向(ΓΜ方向)排列的線缺陷，作為七個(gè)分束器Sp S2、S3、SpMpM；；和M 3，七個(gè)線缺陷的柱半徑分別為rsl= 0.427a，r S2= r S3= r S4=0.421a, rM1= r M2= r M3= 0.39a，S和S 4是部分反射分束器，M:、MjP M 3為全反射分束器；光子晶體的底部到Si中心的距離Δ11= lOa’Sglj^的距離Al2=25a，S#M2之間的距離Δ 13= 37a，光子晶體的左側(cè)到S3*心之間的距離Δ14= la，其中a = 0.4185 μ m ;光子晶體中設(shè)置有兩個(gè)入射端口和一個(gè)輸出端口。通過調(diào)整缺陷柱半徑及兩輸入光束之間的光路差來調(diào)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(zhǎng)干涉實(shí)現(xiàn)邏輯非門功能。
[0008]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(shù)ε =11.56。
[0009]所述光子晶體的大小為81a*85a，a = 0.4185 μ m。
[0010]所述光子晶體的柱半徑r = 0.3a，a = 0.4185 μ mD
[0011]所述入射端口的輸入光束波長(zhǎng)為1.55 μ m。
[0012]當(dāng)rsl=0.427a時(shí)，功率透射率和反射率分別是T = 0.25394和R = 0.56303 ；當(dāng)rS2= rS3= rS4= 0.421a，功率透射率和反射率分別是T = 0.41699和R = 0.40831。
[0013]上述邏輯與門在光子晶體中引入缺陷，進(jìn)行分光，形成自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)，再利用自準(zhǔn)直光束之間的干涉，通過調(diào)整分束器缺陷柱的半徑及兩束光之間的光路差，調(diào)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(zhǎng)干涉來實(shí)現(xiàn)開關(guān)及邏輯功能。利用已知基本特性的分束器，布置光路，通過設(shè)置一定數(shù)據(jù)，利用時(shí)域有限差分法，設(shè)置完美匹配層(PML)邊界，實(shí)現(xiàn)邏輯與門的功能模擬。該方式不受到傳統(tǒng)波導(dǎo)中物理邊界的限制，具有更好的適應(yīng)性。
[0014]本發(fā)明基于光子晶體的自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)，通過調(diào)整分束器的柱半徑和兩束光之間的幾何路程差來產(chǎn)生所需的相位差，實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉或相消干涉，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)或邏輯功能。與傳統(tǒng)的利用耦合效應(yīng)光學(xué)開關(guān)相比，基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的邏輯與門，可以不必利用傳統(tǒng)波導(dǎo)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】
[0015]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(shù)ε =11.56。
[0016]圖2是透過率Τ和反射率R隨分束器柱半徑rd/a的變化曲線。
[0017]圖3是本發(fā)明基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門的結(jié)構(gòu)示意圖。ΜρM2，M3的寬度都是六排晶格，箭頭線標(biāo)明了自準(zhǔn)直光束的傳播路徑。
[0018]圖4是邏輯與門的A入射端口有信號(hào)時(shí)的模擬場(chǎng)分布示意圖。
[0019]圖5是邏輯與門的B入射端口有信號(hào)時(shí)的模擬場(chǎng)分布示意圖。
[0020]圖6是邏輯與門的A和B兩個(gè)入射端口都有信號(hào)時(shí)的模擬場(chǎng)分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明基于自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)的二維光子晶體邏輯與門的設(shè)計(jì)需要用到分光裝置，該分光裝置將結(jié)合光子晶體的自準(zhǔn)直干涉效應(yīng)，通過布置光路，實(shí)現(xiàn)邏輯與門的功能。
[0022]本發(fā)明研究了以硅為背景的二維空氣孔正方光子晶體結(jié)構(gòu)，圖1給出了 TE模式第二頻帶的等頻線分布，從圖中可以看出，f = 0.27 (c/a)對(duì)應(yīng)的等頻線接近正方形，這導(dǎo)致TE偏振光在頻率f = 0.27 (c/a)附近沿Γ X方向可實(shí)現(xiàn)自準(zhǔn)直傳輸。本發(fā)明即是利用上述結(jié)構(gòu)及頻率f = 0.27 (c/a)的TE偏振光來進(jìn)行邏輯門設(shè)計(jì)。
[0023]上述光子晶體中:空氣孔的半徑為r = 0.3a (其中a是晶格常數(shù))，背景材料Si的介電常數(shù)為11.56，使用的光波長(zhǎng)是1.55 μm，晶格常數(shù)被設(shè)定為