[发明专利]一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门

说明书

技术领域

本发明涉及全光逻辑运算器件领域，尤其涉及一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门。

背景技术

随着全球网络速度的飞速发展，对光通信的传输容量和信息处理能力提出了更高的要求。传统光通信系统存在着体积庞大、结构复杂、能耗高等难题，难以适应网络速度的飞速发展和绿色节能环保的要求。解决上述问题的根本方法之一就是构建光电子集成芯片，直接在光域内对信号进行处理和交换。

全光逻辑门作为光信息处理的基本逻辑单元，是非常关键的核心器件。因此，如何设计高速、低损耗的全光逻辑单元，并实现这些功能单元的单片集成是光信息处理和全光通信领域的研究热点。

目前，已提出多种基于半导体光放大器(SOA)、光子晶体波导、微光机电系统(MOEMS)、微环谐振器和环形激光器等结构的全光逻辑门，并得到实验验证。与其它结构的逻辑门相比，基于环形激光器结构的全光逻辑门具有结构简单紧凑、开关能量低、输出消光比高、工作稳定、与半导体工艺兼容等优点。而且随着工作速度的提高，器件尺寸和功耗可进一步降低，因而比基于半导体光放大器(SOA)和微光机电系统(MOEMS)的全光逻辑门更适合大规模集成。

最近，余思远等人对侧向耦合结构的微环激光器进行了系统研究，阐述了其中非线性光学效应和光学双稳态等基本物理现象的起源，并基于微环激光器的光学双稳态实现了全光逻辑门。然而，侧向耦合微环激光器的环形谐振腔和输入/输出波导处在同一平面，两者的材料结构完全相同，因而输入/输出波导的吸收损耗大。另外，为了实现波导与环形谐振腔之间的高效耦合，二者的耦合间距极小(0.1～0.3μm)，因而必须使用电子束曝光、感应耦合等离子体刻蚀等半导体工艺设备。这不仅使得器件制备成本昂贵，而且工艺精度也难以控制。

发明内容

本发明提供了一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，本发明采用聚合物/Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体复合材料体系，设计、实现了工艺难度低、光损耗小、且与半导体制备工艺兼容的全光逻辑器件，详见下文描述：

一种基于垂直耦合微环激光器结构的全光与门和或门，包括：在同一平面内的第一纳米线波导、第二纳米线波导和Y分支耦合器，

所述第一纳米线波导通过第一方向耦合器将输入光信号耦合进微环谐振腔，所述微环谐振腔经过第二方向耦合器将输出光信号耦合进所述第二纳米线波导；所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导相互平行；所述微环谐振腔在所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导下面的相邻平面内，且位于所述第一纳米线波导和所述第二纳米线波导之间；

其中，所述输入光信号包括：控制信号和组合信号，通过调整控制信号的光功率，控制微环激光器的激射模式，通过测量所述第二纳米线波导的输出光功率随输入光信号功率的变化关系，获得相应的与门、或门逻辑关系。

其中，所述Y分支耦合器的两个分支作为光信号的输入端口，输出端口与所述第一纳米线波导相连。

所述微环谐振腔上制作有P型电极和N型电极。

进一步地，所述第一纳米线波导、所述第二纳米线波导、所述微环谐振腔和所述Y分支耦合器均采用条形或脊型波导结构，上述条形或脊型波导结构均满足单模传输条件。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明利用微环激光器的光学双稳态特性，实现了全光“与”和“或”的逻辑功能。

2、在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体微环激光器上制备低损耗的聚合物光波导，将Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体优越的发光特性和聚合物波导易成型、损耗小的优点结合在一起，可实现高性能、低损耗的全光逻辑门。

3、采用垂直耦合微环激光器结构实现的全光逻辑门属于三维集成器件，可有效缩减器件的横向尺寸，有利于实现高密度的器件集成。

4、采用本技术方案实现的全光逻辑门具有工艺简单、成本低、开关能量低及可靠性高等优点，有利于实际应用。

附图说明

图1为本发明提供的垂直耦合微环激光器结构全光逻辑门的结构示意图；

图2为本发明提供的垂直耦合微环激光器的三维结构图；

图3为本发明提供的微环激光器的材料结构图；

图4为本发明提供的垂直耦合微环激光器结构全光“与”门的逻辑时序图；

图5为本发明提供的垂直耦合微环激光器结构全光“或”门的逻辑时序图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一纳米线波导；                  2：第二纳米线波导；