本發明涉及一種基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門，屬于物理光學光子晶體的技術領域。

背景技術：

光子晶體是由不同介電常數的介質材料在空間形成周期性結構，當光在其中傳播時受到調制形成光子能帶結構，在合適的晶格常數與介電常數比的條件下，出現光子帶隙，頻率落在光子帶隙中的光不能傳播。光子晶體通過帶隙來限制光的傳輸方向從而達到人為控制光的傳播方向進行導光。光子晶體中具有反常色散效應，包括負折射，自準直和超棱鏡效應等。在自準直效應中，光子晶體可以對光的傳播行為進行精確控制。

自準直效應是指電磁波在光子晶體中被周期性結構調制，如在真正的光學波導中一般，可沿著特定的方向無衍射傳輸。電磁波在光子晶體結構中的傳播方向是由光子晶體的色散曲面決定的，入射電磁波的傳播方向垂直于光子晶體的色散曲面。色散曲面在給定頻率處的橫截線被稱為等頻線(EFC)。對應于某一頻率的等頻線平坦時，以該頻率入射的電磁波可以出現自準直傳播現象。等頻線可以用多種數值方法計算得到，如平面波展開(PWE)法、時域有限差分(FDTD)法、有限元法(FEM)等。基于自準直效應的光束分離器和干涉裝置已被實驗和理論驗證。光學開關和邏輯門是集成光路設計中的基本元器件，因此，此類光學設備已獲得了人們的廣泛關注。

早期通過電磁模擬，基于金屬波導網絡設計了光學干涉儀邏輯門，可實現所有的基本邏輯操作。后來又針對二進制相移鍵控提出了基于多模干涉波導的邏輯門。基于線性光波干涉和非線性相位擦除效應，提出了可級聯和可重構的光子邏輯門。然而，已公開的光開關設計方面的工作大多基于的是光耦合效應，受到傳統波導中物理邊界的限制。

技術實現要素：

本發明針對傳統光開關在波導中受到物理邊界限制的問題，提出一種能夠避免受到波導中物理邊界的限制，令入射光束沿著特定方向傳輸的基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門。

本發明中的基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門，采用以下技術方案：

該邏輯或非門，包括一個正方晶格的光子晶體，該光子晶體具有自準直干涉效應；在光子晶體的內部制作有三個沿自準直光束傳播方向(ΓM方向)排列的線缺陷作為三個分束器S₁、S₂和S₃，分束器S₁為全反射，分束器S₂和分束器S₃為部分反射；分束器S₁和分束器S₂的距離Δl₁＝25a，分束器S₂和分束器S₃的距離Δl₂＝15a，其中a為光子晶體的晶格常數；光子晶體中設置有三個入射端口和一個輸出端口，三個入射端口為兩個輸入光束端口和一個參考光端口。

參考光端口總是有入射光束。通過調整線缺陷的柱半徑及輸入光束之間的光路差來調整兩輸入光束之間的相位差，輸入光束通過相消干涉或相長干涉實現邏輯功能。

所述正方晶格的光子晶體是以硅為背景材料的二維空氣孔正方晶格的光子晶體，背景材料硅的介電常數ε＝11.56。

所述光子晶體的大小為35a*35a。

所述光子晶體的柱半徑r＝0.3a。

所述入射端口的入射光束波長為3.7037a。

所述分束器S₁的半徑為r_S1＝0.421a，寬度為6排格點。

所述分束器S₂的半徑為r_S2＝0.412a。

所述分束器S₃的半徑為r_S3＝0.417a。

上述邏輯或非門在光子晶體中引入缺陷，進行分光，形成自準直干涉效應，再利用自準直光束之間的干涉，通過調整分束器缺陷柱的半徑及兩束光之間的光路差，調整兩輸入光束之間的相位差。兩光束可以通過相消干涉或相長干涉來實現開關及邏輯功能。利用已知基本特性的分束器，布置光路，通過設置一定數據，利用時域有限差分法，設置完美匹配層(PML)邊界，實現邏輯或非門的功能模擬。該方式不受到傳統波導中物理邊界的限制，具有更好的適應性。

本發明基于光子晶體的自準直干涉效應，通過調整分束器的柱半徑和輸入光之間的幾何路程差來產生所需的相位差，實現相長干涉或相消干涉，從而實現開關或非邏輯功能。與傳統的利用耦合效應光學開關相比，基于自準直干涉效應的邏輯或非門，可以不必利用傳統波導中物理邊界的限制，令入射光束沿著特定的方向傳輸。

附圖說明

圖1是光子晶體TE模式第二頻帶等頻線分布圖。光子晶體中空氣孔的半徑r＝0.3a，背景材料硅的介電常數ε＝11.56。

圖2是透過率T和反射率R隨分束器柱半徑r_d/a的變化曲線。

圖3是本發明基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門的結構示意圖。S₁、S₂和S₃是三個分束器，S₁的寬度是6排格點，箭頭線描述了自準直光束的傳播路徑。

圖4是A端口和B端口都沒有信號時邏輯或非門的模擬場分布示意圖。

圖5是A端口有信號，B端口沒有信號時邏輯或非門的模擬場分布示意圖。

圖6是A端口沒有信號，B端口有信號時邏輯或非門的模擬場分布示意圖。

圖7是A端口和B端口都有信號時邏輯或非門的模擬場分布示意圖。

具體實施方式

本發明基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門的設計需要用到分光裝置，該分光裝置將結合光子晶體的自準直干涉效應，通過布置光路，實現邏輯或非門的功能。

本發明研究了以硅為背景的二維空氣孔正方光子晶體結構，圖1給出了TE模式第二頻帶的等頻線分布，從圖中可以看出，f＝0.27(c/a)對應的等頻線接近正方形，這導致TE偏振光在頻率f＝0.27(c/a)附近沿ΓX方向可實現自準直傳輸。本發明即是利用上述結構及頻率f＝0.27(c/a)的TE偏振光來進行邏輯門設計。

上述光子晶體中：空氣孔的半徑為r＝0.3a(其中a是晶格常數)，背景材料Si的介電常數為11.56，使用的光波長是3.7037a，晶格常數a被設定為a＝λf。

設計中用到的分束器是光子晶體中沿ΓM方向排列的線缺陷，光束自光子晶體左側入射，沿ΓX方向傳輸。分束器的缺陷柱半徑r_d的變化范圍為[0，0.5a]。分束器中光束沿特定的ΓX方向傳輸。分束器中使用頻率為f＝0.27(c/a)的TE偏振高斯光束。

上述分束器通過對坡印亭矢量進行時間積分，可以得到分束器透射和反射光束功率的時間均值，該均值與入射光束的功率作比較，便可獲得透射率T和反射率R的值，該值隨著缺陷柱半徑的變化而變化。圖2給出了分束器透射率和反射率隨半徑r_d的變化曲線。

當光線通過分束器傳播時，反射光和透射光之間存在π/2的相位差。如果線缺陷的柱半徑比宿主光子晶體的柱半徑小，則與入射光束相比，反射光束將產生π/2的相位滯后；相反，如果該線缺陷的柱半徑比宿主光子晶體的柱半徑大，則與入射光束相比，反射光束將產生-π/2的相位滯后。

本發明利用時域有限差分(FDTD)法，設置完美匹配層(PML)邊界條件，模擬了通過裝置的光束的傳輸行為。

本發明的基于自準直干涉效應的二維光子晶體邏輯或非門，如圖3所示。以硅為背景材料的二維空氣孔35a*35a正方光子晶體結構，柱半徑r＝0.3a，背景材料硅的介電常數ε＝11.56，通信中使用的光波長是3.7037a，晶格常數a被設定為a＝λf。三個分束器S₁，S₂和S₃為光子晶體中沿ΓM方向排列的線缺陷，三個線缺陷的柱半徑(三個分束器的半徑)分別為r_S1＝0.421a、r_S2＝0.412a和r_S3＝0.417a。S₁是全反射分束器，而S₂和S₃是部分反射分束器。從S₁到S₂的距離為Δl₁，從S₂到S₃的距離為Δl₂。整個器件由A、B和參考光三個入射端口，一個輸出端口為I。

邏輯或非門是指當A和B兩個輸入端口都沒有入射光束時，輸出端口便具有信號光。圖5、圖6和圖7中，從A和B入射的都是信號光，要使輸出端口沒有信號輸出，必須調整分束器之間的距離和缺陷柱半徑，使得從A和B入射的信號光與參考光發生干涉相消。

當A、B和參考光入射光強度相等時，如果Δl₁＝25a，Δl₂＝15a，當A和B沒有信號光輸入時，輸出端有信號輸出，其可以被定義為邏輯1。圖4給出了邏輯1的穩態場分布。當A和B至少有一個有信號光輸入時，輸出端沒有信號輸出，其可以被定義為邏輯0。圖5、圖6和圖7分別給出了邏輯0的三種穩態場分布。設定一判斷閾值，當透射率小于30％時，有效邏輯信號定義為邏輯0。在圖5、圖6和圖7中，在端口I和參考光處放置兩個功率檢測器，檢測輸出端光束，測得光束的透射率小于30％，所以圖5、圖6和圖7的結構可以被認為是邏輯0。圖4測得光束的透射率大于30％，則可以被定義為邏輯1。