專利名稱：一種光波導(dǎo)全光邏輯門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對光波信號實(shí)現(xiàn)多種不同邏輯運(yùn)算的可用于全光計(jì)算、全光通信、集成光路等領(lǐng)域的無源光波導(dǎo)全光邏輯門器件，屬于全光邏輯門器件的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
對近紅外波段的信號光能實(shí)現(xiàn)各種邏輯門功能的單片集成光波導(dǎo)器件一直是全光計(jì)算、全光通信傳輸系統(tǒng)和集成光路所需的關(guān)鍵元器件?，F(xiàn)行許多光邏輯門器件仍然是電光控制，需要很高的工作電壓。而利用材料的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)邏輯門功能的全光邏輯門器件，其功能都比較單一，且需要很強(qiáng)的信號光，而光纖通信所用的信號光強(qiáng)度一般只有毫瓦量級。另外，目前所用的光邏輯門器件還無法同時具有多種邏輯門和全光運(yùn)作的功能和特性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)而提供一種同時具有多種邏輯功能的基于無源光波導(dǎo)的全光邏輯門器件。本發(fā)明可在同一種芯片上利用同一種微制作工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成和智能化集成，是一種方便實(shí)用的光脈沖控制全光邏輯門，可廣泛用于全光計(jì)算、全光通信以及集成光路系統(tǒng)中。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，包括有若干個可輸入信號光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個輸出波導(dǎo)及多模干涉區(qū)(10)，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的連接部分是多模干涉區(qū)(10)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與若干個輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個輸出波導(dǎo)相接。
上述若干個輸入波導(dǎo)包括有至少三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個輸出波導(dǎo)包括有至少三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相接。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的折射率不相同，其中兩個輸入波導(dǎo)的折射率比另一輸入波導(dǎo)的折射率低。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的信號光脈沖和控制光脈沖的波長相同。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的光脈沖及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)輸出的光波的工作波長為可用于光邏輯計(jì)算的波段。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)中任一個輸入波導(dǎo)的輸入為信號光脈沖，另兩個輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無控制光脈沖輸入或均為信號光脈沖或一個輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無控制光脈沖輸入。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的不同組合輸入狀態(tài)在多模干涉區(qū)(10)中形成不同的干涉狀態(tài)，輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相應(yīng)輸出不同的邏輯效果。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)均為單模波導(dǎo)，多模干涉區(qū)(10)為多模波導(dǎo)。
上述光波導(dǎo)器件(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)包括有襯底(1)、緩沖層(2)、光波導(dǎo)層(3)，緩沖層(2)和光波導(dǎo)層(3)依次覆蓋在襯底(1)上。
上述光波導(dǎo)層(3)是對近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、緩沖層(2)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料；上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學(xué)汽相淀積方法生長。
本發(fā)明采用了具有三個輸入波導(dǎo)、三個輸出波導(dǎo)和一個多模干涉區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過改變信號光的輸入端口以及控制光的輸入端口實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。此外，本發(fā)明可在同一種芯片上利用同一種微制作工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成，其可廣泛用于全光計(jì)算、全光通信以及集成光路中。本發(fā)明是一種新型的光脈沖控制全光邏輯門。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的幾種運(yùn)作功能模擬結(jié)果示例圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括有若干個可輸入信號光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個輸出波導(dǎo)及多模干涉區(qū)(10)，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的連接部分是多模干涉區(qū)(10)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與若干個輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個輸出波導(dǎo)相接。
本實(shí)施例中，上述若干個輸入波導(dǎo)包括有至少三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個輸出波導(dǎo)包括有至少三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相接。上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的折射率不相同，其中兩個輸入波導(dǎo)的折射率比另一輸入波導(dǎo)的折射率低。上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的信號光脈沖和控制光脈沖的波長相同。且輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的光脈沖及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)輸出的光波的工作波長為可用于光邏輯計(jì)算的波段。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)中任一個輸入波導(dǎo)的輸入為信號光脈沖，另兩個輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無控制光脈沖輸入或均為信號光脈沖或一個輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無控制光脈沖輸入。上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的不同組合輸入狀態(tài)在多模干涉區(qū)(10)中形成不同的干涉狀態(tài)，輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相應(yīng)輸出不同的邏輯效果。
上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)均為單模波導(dǎo)，多模干涉區(qū)(10)為多模波導(dǎo)。
本實(shí)施例中，單模輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)和單模輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)的寬度都為10μm，多模干涉區(qū)(10)的寬度為38.4μm。單模輸入波導(dǎo)(4)、(5)、(6)之間的間距為4μm，單模輸出波導(dǎo)(7)、(8)、(9)之間的間距也為4μm。單模輸入波導(dǎo)的長度為492μm，單模輸出波導(dǎo)的長度為1028μm。多模干涉區(qū)(10)的長度為4980μm。器件總長度為6.5mm。所有波導(dǎo)的厚度都為2.5μm、脊高為1μm。輸入波導(dǎo)(5、6)的折射率比波導(dǎo)(4)的低0.3％。
上述單模輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)、單模輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)及多模干涉區(qū)(10)可以是脊形波導(dǎo)，也可以是溝道波導(dǎo)。溝道波導(dǎo)可以是掩埋波導(dǎo)、植入波導(dǎo)或裝載波導(dǎo)。本實(shí)施例中，輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)為脊形單模波導(dǎo)，多模干涉區(qū)(10)為脊形多模波導(dǎo)。
上述單模光波導(dǎo)和多模光波導(dǎo)的截面包括有襯底(1)、緩沖層(2)、光波導(dǎo)層(3)，緩沖層(2)和光波導(dǎo)層(3)依次覆蓋在襯底(1)上。本實(shí)施例中，襯底(1)和緩沖層(2)的材料為硅(Si)，折射率是3.5；光波導(dǎo)層(3)和波導(dǎo)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)的材料為硅鍺(SiGe)；光波導(dǎo)(4)(7)(8)(9)(10)的折射率為3.507，光波導(dǎo)(5)(6)的折射率為3.504。
本發(fā)明在使用時可有多種功能，圖2所示為其幾種運(yùn)作功能模擬結(jié)果示例圖。功能模擬所用的信號光脈沖和控制光脈沖波長均為1550nm，且具有相同的初相位和振幅。模擬結(jié)果如下(1)當(dāng)信號光分別或者同時耦合到輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)時，總會有光從輸出波導(dǎo)(8)輸出，如圖2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、和(g)所示。輸出波導(dǎo)(8)顯示了輸入信號實(shí)現(xiàn)“或”運(yùn)算。因此，這種情況下，邏輯門的功能為“或門”，其值從輸出波導(dǎo)(8)輸出。
(2)當(dāng)信號光脈沖從輸入波導(dǎo)(5)輸入、控制光脈沖從光波導(dǎo)(4)和(6)輸入時，控制脈沖光將分別獨(dú)立控制輸出波導(dǎo)(7)和(9)的開關(guān)狀態(tài)。輸出波導(dǎo)(7)和(9)是否有光輸出僅取決于它們所對應(yīng)的輸入波導(dǎo)(4)和(6)是否存在脈沖控制光。如果存在控制光，則無光輸出；如果不存在控制光，則有光輸出，如圖2(b)、(d)、(f)、和(g)所示。在這種情況下，邏輯門的功能為“非門”，其值從輸出波導(dǎo)(7)和(9)輸出。
同樣，當(dāng)信號光從輸入波導(dǎo)(6)輸入、控制光脈沖從光波導(dǎo)(4)和(5)輸入時，控制脈沖光將分別獨(dú)立控制輸出波導(dǎo)(7)和(9)的開關(guān)狀態(tài)。輸出波導(dǎo)(7)和(9)是否有光輸出僅取決于它們所對應(yīng)的輸入波導(dǎo)(4)和(5)是否存在脈沖控制光。如果存在控制光，則無光輸出；如果不存在控制光，則有光輸出，如圖2(c)、(e)、(f)、和(g)所示。在這種情況下，邏輯門的功能也為“非門”，其值從輸出波導(dǎo)(7)和(9)輸出。
(3)當(dāng)信號光從輸入波導(dǎo)(4)輸入，控制光從輸入波導(dǎo)(5)和(6)輸入時，如圖2(a)、(d)、(e)、和(g)所示。在這種情況下，器件能同時有兩種邏輯門的功能“與非門”和“或非門”。只有當(dāng)兩束脈沖控制光同時存在時，輸出波導(dǎo)(9)才沒有光輸出；另外只有當(dāng)兩束脈沖控制光同時不存在時，即只有信號光輸入時，輸出波導(dǎo)(7)才有光輸出。因此，在這種情況下，器件同時有“與非門”和“或非門”兩種邏輯功能，其中“與非門”的邏輯值從輸出波導(dǎo)(9)輸出，“或非門”的邏輯值從輸出波導(dǎo)(7)輸出。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于包括有若干個可輸入信號光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個輸出波導(dǎo)及多模干涉區(qū)(10)，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的連接部分是多模干涉區(qū)(10)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與若干個輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個輸出波導(dǎo)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述若干個輸入波導(dǎo)包括有至少三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個輸出波導(dǎo)包括有至少三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與三個輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的折射率不相同，其中兩個輸入波導(dǎo)的折射率比另一輸入波導(dǎo)的折射率低。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的信號光脈沖和控制光脈沖的波長相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)輸入的光脈沖及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)輸出的光波的工作波長為可用于光邏輯計(jì)算的波段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)中任一個輸入波導(dǎo)的輸入為信號光脈沖，另兩個輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無控制光脈沖輸入或均為信號光脈沖或一個輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無控制光脈沖輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)的不同組合輸入狀態(tài)在多模干涉區(qū)(10)中形成不同的干涉狀態(tài)，輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)相應(yīng)輸出不同的邏輯效果。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)及輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)均為單模波導(dǎo)，多模干涉區(qū)(10)為多模波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述光波導(dǎo)器件(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)包括有襯底(1)、緩沖層(2)、光波導(dǎo)層(3)，緩沖層(2)和光波導(dǎo)層(3)依次覆蓋在襯底(1)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光波導(dǎo)全光邏輯門，其特征在于上述光波導(dǎo)層(3)是對近紅外光透明的光電子材料；上述襯底(1)、緩沖層(2)可以是對近紅外光透明的光電子材料，也可以是對近紅外光不透明的光電子材料；上述光電子材料可以用常規(guī)的材料制作方法制作，也可以用分子束外延或化學(xué)汽相淀積方法生長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于全光計(jì)算、全光通信、集成光路等領(lǐng)域的無源光波導(dǎo)全光邏輯門器件。包括有若干個可輸入信號光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個輸出波導(dǎo)及多模干涉區(qū)(10)，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間的連接部分是多模干涉區(qū)(10)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與若干個輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個輸出波導(dǎo)相接。上述輸入波導(dǎo)中任一個輸入波導(dǎo)的輸入為信號光脈沖，另幾個輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無控制光脈沖輸入或均為信號光脈沖或其中一個輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，其余輸入波導(dǎo)無控制光脈沖輸入。輸入波導(dǎo)的不同組合輸入狀態(tài)在多模干涉區(qū)中形成不同的干涉狀態(tài)，輸出波導(dǎo)相應(yīng)輸出“或”“非”“與非”和“或非”等多種不同的邏輯門功能。
文檔編號G02F3/00GK1696809SQ20051003291
公開日2005年11月16日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者李寶軍, 李章健, 陳志文 申請人:中山大學(xué)