专利摘要

一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，包括一个以硅为背景材料的二维空气孔正方晶格的光子晶体，在光子晶体的内部制作有七个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为七个分束器S1、S2、S3、S4、M1、M2和M3，七个线缺陷的柱半径分别为rS1＝0.427a，rS2＝rS3＝rS4＝0.421a，rM1＝rM2＝rM3＝0.39a，S1、S2、S3和S4是部分反射分束器，M1、M2和M3为全反射分束器；光子晶体的底部到S1中心的距离Δl1＝10a，S1到M1的距离Δl2＝25a，S2和M2之间的距离Δl3＝37a，光子晶体的左侧到S3中心之间的距离Δl4＝1a，其中a＝0.4185μm；光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口。该逻辑与门不受到传统波导中物理边界的限制，具有更好的适应性。

权利要求

1.一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，包括一个正方晶格的光子晶体，该光子晶体具有自准直干涉效应；在光子晶体的内部制作有七个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为七个分束器S₁、S₂、S₃、S₄、M₁、M₂和M₃，七个线缺陷的柱半径分别为r_S1＝0.427a，r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，r_M1＝r_M2＝r_M3＝0.39a，S₁、S₂、S₃和S₄是部分反射分束器，M₁、M₂和M₃为全反射分束器；光子晶体的底部到S₁中心的距离Δl₁＝10a，S₁到M₁的距离Δl₂＝25a，S₂和M₂之间的距离Δl₃＝37a，光子晶体的左侧到S₃中心之间的距离Δl₄＝1a，其中a＝0.4185μm；光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口；S₃，S₂和S₄依次设置在一个入射端口与输出端口之间，S₁设置在S₂与另一个入射端口之间，M₁设置在S₁的一侧且位于S₃的下方，M₂设置在S₂的上方，M₃设置在M₂的一侧且位于S₄的上方；其中a是光子晶体的周期。

2.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，所述正方晶格的光子晶体是以硅为背景材料的二维空气孔正方晶格的光子晶体，背景材料硅的介电常数ε＝11.56。

3.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，所述光子晶体的大小为81a*85a，a＝0.4185μm。

4.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，所述光子晶体的柱半径r＝0.3a，a＝0.4185μm。

5.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，所述入射端口的输入光束波长为1.55μm。

6.根据权利要求1所述的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，其特征是，当r_S1＝0.427a时，S₁的功率透射率和反射率分别是T＝0.25394和R＝0.56303；当r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，功率透射率和反射率分别是T＝0.41699和R＝0.40831。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，属于物理光学光子晶体的技术领域。

背景技术

光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间形成周期性结构，当光在其中传播时受到调制形成光子能带结构，在合适的晶格常数与介电常数比的条件下，出现光子带隙，频率落在光子带隙中的光不能传播。光子晶体通过带隙来限制光的传输方向从而达到人为控制光的传播方向进行导光。光子晶体中具有反常色散效应，包括负折射，自准直和超棱镜效应等。在自准直效应中，光子晶体可以对光的传播行为进行精确控制。

自准直效应是指电磁波在光子晶体中被周期性结构调制，如在真正的光学波导中一般，可沿着特定的方向无衍射传输。电磁波在光子晶体结构中的传播方向是由光子晶体的色散曲面决定的，入射电磁波的传播方向垂直于光子晶体的色散曲面。色散曲面在给定频率处的横截线被称为等频线(EFC)。对应于某一频率的等频线平坦时，以该频率入射的电磁波可以出现自准直传播现象。等频线可以用多种数值方法计算得到，如平面波展开(PWE)法、时域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)等。基于自准直效应的光束分离器和干涉装置已被实验和理论验证。光学开关和逻辑门是集成光路设计中的基本元器件，因此，此类光学设备已获得了人们的广泛关注。

早期通过电磁模拟，基于金属波导网络设计了光学干涉仪逻辑门，可实现所有的基本逻辑操作。后来又针对二进制相移键控提出了基于多模干涉波导的逻辑门。基于线性光波干涉和非线性相位擦除效应，提出了可级联和可重构的光子逻辑门。然而，已公开的光开关设计方面的工作大多基于的是光耦合效应，受到传统波导中物理边界的限制。

发明内容

本发明针对传统光开关在波导中受到物理边界限制的问题，提出一种能够避免受到波导中物理边界的限制，令入射光束沿着特定方向传输的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门。

本发明中的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，采用以下技术方案：

该逻辑与门，包括一个正方晶格的光子晶体，该光子晶体具有自准直干涉效应；在光子晶体的内部制作有七个沿自准直光束传播方向(ΓM方向)排列的线缺陷，作为七个分束器S₁、S₂、S₃、S₄、M₁、M₂和M₃，七个线缺陷的柱半径分别为r_S1＝0.427a，r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，r_M1＝r_M2＝r_M3＝0.39a，S₁、S₂、S₃和S₄是部分反射分束器，M₁、M₂和M₃为全反射分束器；光子晶体的底部到S₁中心的距离Δl₁＝10a，S₁到M₁的距离Δl₂＝25a，S₂和M₂之间的距离Δl₃＝37a，光子晶体的左侧到S₃中心之间的距离Δl₄＝1a，其中a＝0.4185μm；光子晶体中设置有两个入射端口和一个输出端口。通过调整缺陷柱半径及两输入光束之间的光路差来调整两输入光束之间的相位差，两输入光束通过相消干涉或相长干涉实现逻辑非门功能。

所述正方晶格的光子晶体是以硅为背景材料的二维空气孔正方晶格的光子晶体，背景材料硅的介电常数ε＝11.56。

所述光子晶体的大小为81a*85a，a＝0.4185μm。

所述光子晶体的柱半径r＝0.3a，a＝0.4185μm。

所述入射端口的输入光束波长为1.55μm。

当r_S1＝0.427a时，S₁的功率透射率和反射率分别是T＝0.25394和R＝0.56303；当r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，功率透射率和反射率分别是T＝0.41699和R＝0.40831。

上述逻辑与门在光子晶体中引入缺陷，进行分光，形成自准直干涉效应，再利用自准直光束之间的干涉，通过调整分束器缺陷柱的半径及两束光之间的光路差，调整两输入光束之间的相位差。两光束可以通过相消干涉或相长干涉来实现开关及逻辑功能。利用已知基本特性的分束器，布置光路，通过设置一定数据，利用时域有限差分法，设置完美匹配层(PML)边界，实现逻辑与门的功能模拟。该方式不受到传统波导中物理边界的限制，具有更好的适应性。

本发明基于光子晶体的自准直干涉效应，通过调整分束器的柱半径和两束光之间的几何路程差来产生所需的相位差，实现相长干涉或相消干涉，从而实现开关或逻辑功能。与传统的利用耦合效应光学开关相比，基于自准直干涉效应的逻辑与门，可以不必利用传统波导中物理边界的限制，令入射光束沿着特定的方向传输。

附图说明

图1是光子晶体TE模式第二频带等频线分布图。光子晶体中空气孔的半径r＝0.3a，背景材料硅的介电常数ε＝11.56。

图2是透过率T和反射率R随分束器柱半径r_d/a的变化曲线。

图3是本发明基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门的结构示意图。M₁，M₂，M₃的宽度都是六排晶格，箭头线标明了自准直光束的传播路径。

图4是逻辑与门的A入射端口有信号时的模拟场分布示意图。

图5是逻辑与门的B入射端口有信号时的模拟场分布示意图。

图6是逻辑与门的A和B两个入射端口都有信号时的模拟场分布示意图。

具体实施方式

本发明基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门的设计需要用到分光装置，该分光装置将结合光子晶体的自准直干涉效应，通过布置光路，实现逻辑与门的功能。

本发明研究了以硅为背景的二维空气孔正方光子晶体结构，图1给出了TE模式第二频带的等频线分布，从图中可以看出，f＝0.27(c/a)对应的等频线接近正方形，这导致TE偏振光在频率f＝0.27(c/a)附近沿ΓX方向可实现自准直传输。本发明即是利用上述结构及频率f＝0.27(c/a)的TE偏振光来进行逻辑门设计。

上述光子晶体中：空气孔的半径为r＝0.3a(其中a是晶格常数)，背景材料Si的介电常数为11.56，使用的光波长是1.55μm，晶格常数被设定为a＝λf＝0.4185μm。

设计中用到的分束器是光子晶体中沿ΓM方向排列的线缺陷，光束自光子晶体左侧入射，沿ΓX方向传输。分束器的缺陷柱半径r_d的变化范围为[0，0.5a]。分束器中光束沿特定的ΓX方向传输。分束器中使用频率为f＝0.27(c/a)的TE偏振高斯光束。

上述分束器通过对坡印亭矢量进行时间积分，可以得到分束器透射和反射光束功率的时间均值，该均值与入射光束的功率作比较，便可获得透射率T和反射率R的值，该值随着缺陷柱半径的变化而变化。图2给出了分束器透射率和反射率随半径r_d的变化曲线。

当光线通过分束器传播时，反射光和透射光之间存在π/2的相位差。如果线缺陷的柱半径比宿主光子晶体的柱半径小，则与入射光束相比，反射光束将产生π/2的相位滞后；相反，如果该线缺陷的柱半径比宿主光子晶体的柱半径大，则与入射光束相比，反射光束将产生π/2的相位滞后。

本发明利用时域有限差分(FDTD)法，设置完美匹配层(PML)边界条件，模拟了通过装置的光束的传输行为。

本发明的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门，如图3所示。以硅为背景材料的二维空气孔81a*85a正方光子晶体，柱半径为r＝0.3a，背景材料硅的介电常数ε＝11.56，通信中使用的光波长是1.55μm，其中a是晶格常数，设定为a＝λf＝0.4185μm。七个分束器S₁，S₂，S₃，S₄，M₁，M₂和M₃是在光子晶体内沿ΓM方向排列的线缺陷，其柱半径r_S1＝0.427a，r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，r_M1＝r_M2＝r_M3＝0.39a。S₁，S₂，S₃，S₄是部分反射分束器，而M₁，M₂和M₃为全反射分束器。Δl₁为光子晶体的底部到S₁中心的距离，Δl₂为S₁到M₁的距离，Δl₃为S₂和M₂之间的距离，Δl₄为光子晶体的左侧到S₃中心之间的距离。当r_S1＝0.427a时，S₁的功率透射率和反射率分别是T＝0.25394和R＝0.56303。当r_S2＝r_S3＝r_S4＝0.421a，功率透射率和反射率分别是T＝0.41699和R＝0.40831。整个装置结构有A和B两个入射端口，I为目标输出端口。

逻辑与门是指两个输入端口同时具有入射信号时，输出口才有信号，如果只有一个输入端口具有入射信号，不具有输出信号。通过调节Δl₁，Δl₂，Δl₃和Δl₄的值来改变输出光束之间的相位差，可以实现干涉相长和干涉相消。当设定Δl₁＝10a，Δl₂＝25a，Δl₃＝37a，和Δl₄＝1a，并且仅A或B具有入射光时，I是没有信号的，只有当A和B同时具有输入光时，输出端口才有信号，能够实现上述所述逻辑与门的功能。图4、图5和图6分别为三种情况下的稳态场分布。设定一判断阈值，当透射小于35％时，有效逻辑信号定义为逻辑0。在图5中，在端口I和B处放置两个功率检测器，检测输出端光束，测得光束的透射率是19.8％，所以图5的结构可以被认为是逻辑0。图4和图6则可以被定义为逻辑0和逻辑1。

基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑与门专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。