一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门，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两个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为两个分束器S1和S2，线缺陷的柱半径分别为rS1＝0.421a和rS2＝0.39a，S1是部分反射分束器，而S2是全反射分束器；两个分束器的距离Δl＝14a、25a、36a或51a，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功能。该逻辑或门不受到传统波导中物理边界的限制，具有更好的适应性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门，属于物理光学光子晶体的
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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或门。本专利技术中的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门，采用以下技术方案:该逻辑或门，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两个沿自准直光束传播方向(ΓΜ方向)排列的线缺陷，作为两个分束器SjP S 2，线缺陷的柱半径分别为rsl= 0.421a和r S2= 0.39a，S:是部分反射分束器，而32是全反射分束器；两个分束器的距离Δ 1 = 14a、25a、36a或51a，其中a = 0.4185 μπι ；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35a*35a，a = 0.4185 μ m。所述光子晶体的柱半径r = 0.3a，a = 0.4185 μπι。所述入射端口的入射光束波长为1.55 μπι。当rsl= 0.421a时，S 4勺功率透射率和反射率分别是T = 0.41699和R = 0.40831。上述逻辑或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，实现逻辑或门的功能模拟。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。本专利技术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或门，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Τ和反射率R随分束器柱半径rd/a的变化曲线。图3是本专利技术基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门的结构示意图。SjP&是两个分束器，S 2的宽度是6排格点，箭头线描述了自准直光束的传播路径。图4是A端口有信号时两个逻辑或门的模拟场分布不意图。图5是B端口有信号时两个逻辑或门的模拟场分布示意图。图6是Δ 1 = 14a的逻辑或门的模拟场分布示意图。 图7是Δ 1 = 25a的逻辑或门的模拟场分布示意图。图8是Δ 1 = 36a的逻辑或门的模拟场分布示意图。图9是Δ 1 = 51a的逻辑或门的模拟场分布示意图。【具体实施方式】本专利技术基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或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，实现逻辑或门的功能。本专利技术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Γ X方向可实现自准直传输。本专利技术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1.55 μm，晶格常数被设定为a = Af = 0.4185 μπι。设计中用到的分束器是光子晶体中沿ΓΜ方向排列的线缺陷，光束自光子晶体左侧入射，沿ΓΧ方向传输。分束器的缺陷柱半径rd的变化范围为。分束器中光束沿特定的Γ X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rd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J! /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Ji/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η/2的相位滞后。本专利技术利用时域有限差分(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。本专利技术的基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门，如图3所示。以硅为背景材料的二维空气孔35a*35a正方光子晶体结构，柱半径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= λ f =0.4185 ymD两个分束器SjP S 2为光子晶体中沿Γ Μ方向排列的线缺陷，线缺陷的柱半径分别为rsl= 0.421a和r S2= 0.39a，当r S1= 0.421a时，S ^勺功率透射率和反射率分别是T = 0.41699和R = 0.40831。Si是部分反射分束器，而S 2是全反射分束器。从S本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于自准直干涉效应的二维光子晶体逻辑或门，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两个沿自准直光束传播方向排列的线缺陷，作为两个分束器S1和S2，线缺陷的柱半径分别为rS1＝0.421a和rS2＝0.39a，S1是部分反射分束器，而S2是全反射分束器；两个分束器的距离Δl＝14a、25a、36a或51a，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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨修伦，孙晓雯，范冉冉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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