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(duì)光波信號(hào)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(wú)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(duì)近紅外波段的信號(hào)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(hào)光，而光纖通信所用的信號(hào)光強(qiáng)度一般只有毫瓦量級(jí)。另外，目前所用的光邏輯門器件還無(wú)法同時(shí)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(shí)具有多種邏輯功能的基于無(wú)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(gè)可輸入信號(hào)光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個(gè)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(gè)輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個(gè)輸出波導(dǎo)相接。
上述若干個(gè)輸入波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個(gè)輸出波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)光脈沖和控制光脈沖的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為信號(hào)光脈沖，另兩個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無(wú)控制光脈沖輸入或均為信號(hào)光脈沖或一個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無(wú)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(duì)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(duì)近紅外光透明的光電子材料，也可以是對(duì)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(zhǎng)。
本發(fā)明采用了具有三個(gè)輸入波導(dǎo)、三個(gè)輸出波導(dǎo)和一個(gè)多模干涉區(qū)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變信號(hào)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(shuō)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(gè)可輸入信號(hào)光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個(gè)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(gè)輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個(gè)輸出波導(dǎo)相接。
本實(shí)施例中，上述若干個(gè)輸入波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個(gè)輸出波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)光脈沖和控制光脈沖的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為信號(hào)光脈沖，另兩個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無(wú)控制光脈沖輸入或均為信號(hào)光脈沖或一個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無(wú)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(zhǎng)度為492μm，單模輸出波導(dǎo)的長(zhǎng)度為1028μm。多模干涉區(qū)(10)的長(zhǎng)度為4980μm。器件總長(zhǎng)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(shí)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(hào)光脈沖和控制光脈沖波長(zhǎng)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(hào)光分別或者同時(shí)耦合到輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)時(shí)，總會(huì)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(hào)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(hào)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(shí)，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(duì)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(wú)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(hào)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(shí)，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(duì)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(wú)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(hào)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(shí)，如圖2(a)、(d)、(e)、和(g)所示。在這種情況下，器件能同時(shí)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(shí)存在時(shí)，輸出波導(dǎo)(9)才沒(méi)有光輸出；另外只有當(dāng)兩束脈沖控制光同時(shí)不存在時(shí)，即只有信號(hào)光輸入時(shí)，輸出波導(dǎo)(7)才有光輸出。因此，在這種情況下，器件同時(shí)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(gè)可輸入信號(hào)光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個(gè)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(gè)輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個(gè)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(gè)輸入波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸入波導(dǎo)(4)(5)(6)，若干個(gè)輸出波導(dǎo)包括有至少三個(gè)輸出波導(dǎo)(7)(8)(9)，多模干涉區(qū)(10)的入口端與三個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)光脈沖和控制光脈沖的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為信號(hào)光脈沖，另兩個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無(wú)控制光脈沖輸入或均為信號(hào)光脈沖或一個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，另一輸入波導(dǎo)無(wú)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(duì)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(duì)近紅外光透明的光電子材料，也可以是對(duì)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(zhǎng)。
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(wú)源光波導(dǎo)全光邏輯門器件。包括有若干個(gè)可輸入信號(hào)光脈沖和控制光脈沖的輸入波導(dǎo)、若干個(gè)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(gè)輸入波導(dǎo)相接，多模干涉區(qū)(10)的出口端分別與若干個(gè)輸出波導(dǎo)相接。上述輸入波導(dǎo)中任一個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為信號(hào)光脈沖，另幾個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入均為控制光脈沖或均無(wú)控制光脈沖輸入或均為信號(hào)光脈沖或其中一個(gè)輸入波導(dǎo)的輸入為控制光脈沖，其余輸入波導(dǎo)無(wú)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(hào)G02F3/00GK1696809SQ20051003291
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中山大學(xué)