光学逻辑门 |
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| 申请号 | CN200880132716.X | 申请日 | 2008-11-24 | 公开(公告)号 | CN102317855B | 公开(公告)日 | 2015-01-28 |
| 申请人 | 塞莱斯系统集成公司; | 发明人 | 法比奥·安东尼奥·博维诺; 毛里齐奥·贾尔迪纳; 玛丽亚·克里斯帝娜·拉尔西普莱特; 马尔科·森蒂尼; 亚历山德罗·贝拉蒂尼; 康西塔·西比利亚; 马里奥·贝托洛蒂; 安德里亚纳·帕萨塞奥; 维托里亚纳·塔斯科; 罗伯托·辛戈拉尼; | ||||
| 摘要 | 一种光学 逻辑 门 (1)，具有第二谐波发生器元件(15)，其接收分别具有第一 角 频率 (ω1)和第二角频率(ω2)且分别具有第一偏振(P；S)和第二偏振(P；S)的第一光学输入 信号 (si1)和第二光学 输入信号 (si2)，并且其提供具有第三角频率(2ωi，ω1+ω2)和第三偏振(P；S)的第二谐波光学信号(su3)。第三角频率(2ωi，ω1+ω2)等于第一角频率(ω1)和第二角频率(ω2)的和。第三偏振(P；S)是第一偏振(P；S)和第二偏振(P；S)的函数。第二谐波发生器元件(15)包括为具有非空二阶光学张量的材料的第二谐波发生器层。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光学逻辑门(1)，包括谐波发生器元件(15)，所述谐波发生器元件被配置为接收分别具有第一角频率和第二角频率(ω1,ω2)且分别具有第一偏振和第二偏振(P； |
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| 说明书全文 | 光学逻辑门技术领域背景技术[0002] 已知的是，执行逻辑(布尔)运算(即，涉及逻辑状态的运算)的电子电路已被使用较长时间，这些电子电路被称为逻辑门。NOT、AND、OR、XOR、NOR、NAND和XNOR运算是由多个通常的逻辑门执行的逻辑运算中的一些。 [0003] 逻辑门包括能够接收各个电子输入信号的一个或多个输入端以及能够提供各个电子输出信号的一个或多个电子输出端。电子输入信号和电子输出信号通常是数字信号(即，具有电特性(例如，电压)的信号)，该数字信号随着时间只能表现为两个值，而这两个值分别表示第一逻辑状态和第二逻辑状态，第一逻辑状态和第二逻辑状态又由位“0”和位“1”以逻辑方式表示。逻辑状态的改变对应于相应电特性的上升延或下降延。在下文中，为了简洁，仅涉及表示逻辑状态的电信号，意指涉及在这些电信号表示这些逻辑状态时由这些电信号的相应电特性所采用的值。 [0004] 可操作地，假定在逻辑门的电输入端存在执行特定逻辑运算的逻辑门和假定存在一些电输入信号，更确切地是假定存在一些逻辑状态，则逻辑门提供表示相应输出逻辑状态的一个或多个电输出信号，使得输入逻辑状态和输出逻辑状态遵守与由逻辑门执行的特定逻辑运算对应的真值表。例如，在具有两个输入端和一个输出端的EXOR逻辑门的特定情况下，当输入逻辑状态相同(“00”或“11”)时，输出逻辑状态表现为值“0”，而当输入逻辑状态不同时，输出逻辑状态表现为值“1”。反之亦然，在EXNOR逻辑门的特定情况下，当输入逻辑状态相同(“00”或“11”)时，输出逻辑状态表现为值“1”，当输入逻辑状态不同时，输出逻辑状态表现为值“1”。 [0005] 在逻辑层面上，逻辑门的特性由相应的真值表详尽地表述。 [0006] 而在电层面上，逻辑门的描述就变得很复杂，这是因为由电子电路以物理方式实现的每个逻辑门会引入传输延迟，并且对其输入端处的逻辑状态以非理想方式的变化作出反应。具体地，假设电输入信号的上升沿或下降沿出现的时刻为t0，则逻辑门以相对于时刻t0具有一定的延迟来改变(如果必要)其输出端的逻辑状态。此外，电信号的沿不再是理想的，即，它们不提供电特性从第一值到第二值的瞬时切换，而是呈现出电特性表现为中间值且逻辑门的操作不确定的过渡期。最后，电信号不可避免地受到噪声的影响，结果导致逻辑门的性能劣化。 [0007] 虽然具有上述缺点，但是已证明电逻辑门在数字电子学的发展中具有决定性的重要性；然而，意识到越来越需求不同类型的逻辑门，理想地是不受电逻辑门所表现的缺点影响，并因此具有例如最小的切换时间、没有噪声和减少的消耗的特征。 [0008] 涉及光学逻辑门的文献：Biader Ceipidor et al.，“Logic Functions，Devices，and Circuits Based on Parametric Nonlinear Processes”，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，IEEE Service Center，New York，United States，vol.26，no.3，1 February2008，pages 373-378。此外，涉及第二谐波发生的文献分别为如下：Larciprete M.et al.，“Second harmonic generation in GaN/Al50Ga50N films deposited by metal-organic chemical vapour deposition””，APPLIED PHYSICS LETTERS，AIP，American Institute of Physics，Melville，New York，United States，vol.89，no.13，26 September 2006，pages 131105-131105；Passeri D.et al.，“Second harmonic generation in AlGaN，GaN and AlxGal-xN/GaN multiple quantum well structures”，APPLIED PHYSICS B(Lasers and Optics)，Springer-Verlag，Germany，vol.B79，no.5，September 2004，pages 611-615；以及Cao H.et al.，“Second harmonic generation in laser ablated zinc oxide thin films”，APPLIED PHYSICS LETTERS，AIP，American Institute of Physics，Melville，New York，United States，vol.73，no.5，3August 1998，pages 572-574。另外，涉及溅射膜的特性的文献为：Larciprete M.et al.，“Characterization of second and third order optical nonlinearities of ZnO sputtered films”，APPLIED PHYSICS B，Lasers and Optics，Springer Berlin，Germany，vol.82，no.3，1March 2006，pages 431-437。 发明内容[0009] 本发明的目的是提供一种至少将现有技术的上述缺点的部分克服的光学逻辑门。 [0011] 为了更好地理解本发明，现在仅以非限制性示例的方式并参照附图描述优选实施方式，其中： [0012] 图1示出了根据本发明原理实施的光学逻辑门的示意性表示， [0013] 图2示出了第二谐波发生器元件的纵剖面， [0014] 图3示出了光学逻辑门的细节，以及 具体实施方式[0016] 如图1所示，该光学逻辑门1包括： [0018] 分束器3，具有相对于光源2的形状和布置，使得其用于接收输入的准单频电磁辐射并因此产生用以输出的、具有角频率ωi的第一光泵信号si1和第二光泵信号si2，并将它们分别导向至第一光学路径4a和第二光学路径4b， [0019] 第一反射面5a和第二反射面5b，分别沿第一光学路径4a和第二光学路径4b设置，以接收由分束器3产生的光泵信号si1和si2， [0020] 半波型的第一偏振片6a和第二偏振片6b，分别沿第一光学路径4a和第二光学路径4b而设置在反射面5a和5b的下游，以接收由反射面5a和5b反射的光泵信号si1和si2，[0021] 第一聚焦透镜7a和第二聚焦透镜7b，分别沿第一光学路径4a和第二光学路径4b而设置在偏振片6a和6b的下游，以接收来自偏振片6a和6b的光泵信号si1和si2，[0022] 第二谐波发生器元件15，用于接收由聚焦透镜6a和6b会聚的光泵信号si1和si2，并且当第一光泵信号si1和第二光泵信号si2到达其时生成角频率为2ωi的第二谐波光学信号su3，如下文中详细描述的，以及 [0024] 图1还示出相对于第二谐波发生器元件15布置的聚焦装置8和单一模式型的光纤9，使得聚焦装置8将第二谐波光学信号su3会聚在光纤9以及可经由滤光器(未示出)耦接至光纤9的光子计数检测器10上。可操作地，聚焦装置8、光纤9和光子计数检测器10用于监控光学逻辑门1的运算，并且具体地用以分析第二谐波光学信号su3。 [0025] 光源2包括自锁模钛蓝宝石激光器，被调到波长λ为830nm并用于产生具有130fs幅值的脉冲，并且这些脉冲的重复频率为76MHz。然后分束器3以上述第一光泵信号si1和第二光泵信号si2具有基本相同的强度的方式将由此产生的电磁辐射分开。 [0026] 半波型偏振片6a和6b的功能是提供上述光学信号si1和si2的偏振控制，使得它们以预设的偏振(具体地，以预设的线性偏振)到达第二谐波发生器元件15。安排这些半波偏振片6a和6b以避免引入非线性。 [0027] 关于第二谐波发生器元件15，在图2中示意性地示出了其截面，其具有基本平行六面体形状并包括蓝宝石(Al2O3)基板20、位于蓝宝石基板20上面的氮化铝(AlN)中间层21和位于AlN中间层21上面的氮化镓(GaN)第二谐波发生器层22(SHG层)。以上列举的层20、21和22是平坦的并且具有恒定的厚度以及相互平行的接触平面，以这种方式形成多层层叠的结构。详细地，以中间层21设置在蓝宝石基板20的面c(0001)的上面的方式定位蓝宝石基板20；此外，中间层具有76nm的厚度，而第二谐波发生器层22具有302nm的厚度。此外，图2中的参考标号25表示以第二谐波发生器层22的表面为界的平坦入射面，其中光泵信号si1和si2到达该平坦入射面上。 [0028] 第二谐波发生器层22由单晶GaN制成，其中单晶GaN具有非中心对称的六边形单位晶格、6mm点群对称的纤锌矿型晶体结构。此外，单晶GaN是各向异性的，并呈现出具有元(2) (2) (2) (2) (2) (2) (2)素χ113 、χ131 、χ223 、χ232 、χ311 、χ322 和χ333 作为仅有的非零元素的二阶极(2) (2) (2) (2) (2) (2) 化率张量。此外，关系χ311 ＝χ322 和χ113 ＝χ131 ＝χ223 ＝χ232 成立，在可忽略吸收并应用Kleinmann对称规则的频率范围内，可进一步减少至仅三个非零元素。事(2) (2) (2) 实上，利用简化符号，非零元素为χ31 、χ15 和χ33 ；因此，单晶GaN的二阶非线性光学张量具有以下形式： [0029] [0030] 该形式是通过以下方式所获得的：使用单晶GaN的主轴作为基准(base)，并且执行二阶极化率 与二阶非线性光学张量的元素相关联的关系： [0031] [0032] 从光学观点来看，第二谐波发生器层22具有与第二谐波发生器层22、中间层21和蓝宝石基板20垂直设置的主光轴h，如图2中示意性地示出。 [0033] 以光学路径4a和4b(亦即，光泵信号si1和si2)共面并到达第二谐波发生器元件15的第二谐波发生器层22上的方式设置光源2、分束器3、反射面5a和5b、半波偏振片6a和6b、聚焦透镜7a和7b以及第二谐波发生器元件15。 [0034] 如图3中详细地示出，光学路径4a和4b基本上到达位于第二谐波发生器层22的入射面25的同一焦点23上，并在它们之间形成18度的互成入射角。更详细地，假定该互成入射角的平分线为b，则光学路径4a和4b关于平分线b分别形成角度β和γ，等于+9度和-9度。此外，平分线b关于穿过焦点23的入射表面25的法线n形成倾斜角度α。该倾斜角度α表示第二谐波发生器元件15关于由平分线b标识的方向的倾斜，并且通过操作致动器装置和改变第二谐波发生器元件15的位置是可以变化的。最后，应注意的是，如何来假设平分线b的方向来作为在光学逻辑门1的描述中使用的第一参考系统的纵轴z，而不失一般性。 [0035] 假设第二谐波发生器元件15关于平分线b倾斜，则光学路径4a和4b(亦即，光泵信号si1和si2)到达入射面25，关于法线n分别形成入射角度α1和α2，分别等于α+β和α+γ。还应注意，法线n平行于主光轴h。 [0036] 在到达第二谐波发生器层22的入射表面25之后，光泵信号si1和si2被折射并因此在第二谐波发生器元件15内传播，连续经过第二谐波发生器层22、中间层21和蓝宝石基板20。 [0037] 光学信号si1和si2与第二谐波发生器层22的相互作用引起GaN的非线性偏振，该偏振具有角频率为2ωi、振幅与光学信号si1和si2的振幅成正比(通过二阶光学极化率(2)χijk (-2ωi，ωi，ωi)获得)的谐波分量。此外，在第二谐波发生器元件15内部发生多次反射，结果放大了第二谐波光学信号su3。这使得第二谐波发生器元件15输出角频率分别为ωu1、ωu2和ωu3(均等于2ωi)的三个线性偏振第二谐波光学信号su1、su2和su3。 [0038] 第二谐波光学信号su1和su2分别具有波矢 和 它们的方向分别与输入至第二谐波发生器元件15的光泵信号si1和si2的波矢的方向在同一条直线上。与之相比，第二谐波光学信号su3具有与倾斜角度α无关的沿平分线b的波矢 实际上，必须遵守波矢守恒定律，所以必须保持关系 由于采用的基准系统，所以确定第二谐波光学信号su3沿着纵轴z。 [0039] 如进一步更详细地所述，上述相互作用依赖于入射角度α1和α2和所涉及的光泵信号和第二谐波光学信号的偏振。具体地，可通过对光泵信号si1和si2的偏振进行动作来改变第二谐波光学信号su3的偏振。 [0040] 偏振片6b和6b确定到达第二谐波发生器元件15的入射面25的光泵信号si1和si2的偏振；具体地，这些偏振是线性的。因此，确定第二谐波光学信号su3也具有线性偏振。 [0041] 由于它们是线性偏振的，所以上述光学信号(光泵si1和si2以及第二谐波su3)中的每一个可被分解为具有相互正交的线性偏振(即，具有相互正交的偏振方向)的两个分量，其在下文中被称为P分量和S分量。具体地，参照图1，上述光学信号中的每一个的P分量是其电场位于xz平面的正交分量，而S分量是其电场位于xy平面的正交分量。在下文中，光泵信号si1和si2以及第二谐波光学信号su3的P分量分别被称为分量Psi1、Psi2和Psu3；类似地，相应的S分量分别被称为分量Ssi1、Ssi2和Ssu3。此外，下文中所提及的P或S偏振光学信号意指仅包括P分量或S分量的光学信号。 [0042] 通过(以已知方式)对偏振片6a和6b进行动作来选择入射在第二谐波发生器元件15上的光泵信号si1和si2的P偏振或S偏振，使得可选地提供以下情形： [0043] 具有P偏振的第一光泵信号si1和具有P偏振的第二光泵信号si2， [0044] 具有S偏振的第一光泵信号si1和具有S偏振的第二光泵信号si2， [0045] 具有S偏振的第一光泵信号si1和具有P偏振的第二光泵信号si2， [0046] 具有P偏振的第一光泵信号si1和具有S偏振的第二光泵信号si2。 [0047] 如前所述，通过以下式子可给出第二谐波光学信号su3的分量Psu3和Ssu3的功率和 [0048] [0049] 其中，A是由光泵信号si1和si2(更确切地说是相应的高斯束)与入射面25相交所限定的横向面积，Wi1和Wi2是等于光泵信号si1和si2的第一近似值的功率，ti1和ti2是光泵信号si1和si2在空气-第二谐波发生器层22间的界面处的菲涅尔透射系数，T2ωi是第二谐波光学信号su3从第二谐波发生器15(即，蓝宝石基板与空气间的界面)输出的菲涅尔透射系数，nωi和n2ωi是GaN在角频率为ωi和2ωi时的各折射率，deff(α)是将进一步详细描述的有效非线性光学系数，ΨSHG(α)也是将进一步详细描述的相位因子。应注意，光泵信号si1和si2以及第二谐波光学信号su3的菲涅尔透射系数ti1、ti2和T2ωi依赖于入射角度α1和α2以及光泵信号si1和si2的偏振。相位因子ΨSHG(α)由以下式子给出： [0050] [0051] 其中，L是第二谐波发生器层22的厚度，λ是真空中的波长，αr1和αr2是光泵信号si1和si2在GaN和空气间的界面的折射角度，其可根据入射角度α1和α2通过斯涅尔定律获得，αr3是第二谐波光学信号su3关于法线n形成的角度。 [0053] 考虑之中的第二谐波光学信号su3的分量(Psu3或Ssu3)，以及 [0054] 光泵信号si1和si2的偏振。 [0055] 因此，可为有效非线性光学系数deff(α)设置八个可能值。详细地，可论证有效非线性光学系数deff(α)表现为以下表达式： [0056] [0057] [0058] [0059] [0060] [0061] [0062] 在式子5中， 表示在P偏振的光泵信号si1和si2以及第二谐波光学信号su3情况下的有效非线性光学系数的值， 表示在S偏振的光泵信号si1和si2以及P偏振的第二谐波光学信号su3情况下的有效非线性光学系数的值， 表示在P偏振的第一光泵信号si1以及S偏振的第二光泵信号si2和第二谐波光学信号su3情况下的有效非线性光学系数的值， 表示在P偏振的第二光泵信号si2及S偏振的第一光泵信号si1和第二谐波光学信号su3情况下的有效非线性光学系数的值。与之相比，由在具有正交偏振的光泵信号si1和si2和P偏振的第二谐波光学信号su3情况下以及具有平行偏振的光泵信号si1和si2和S偏振的第二谐波光学信号 情况下的有效非线性光学系数所表现的值是零。 [0063] 在图4a至图4d中提供了上述光学逻辑门1的运算的表示性分析，其中，示出了对于第二谐波光学信号su3的Psu3量(小矩形线)和Ssu3分量(圆点线)，功率趋势(每秒的光子数)随着倾斜角度α(以度表示)的变化，在以下各个情况下： [0064] P偏振的第一光泵信号si1和第二光泵信号si2(图4a)， [0065] S偏振的第一光泵信号si1和第二光泵信号si2(图4b)， [0066] S偏振的第一光泵信号si1和P偏振的第二光泵信号si2(图4c)， [0067] P偏振的第一光泵信号si1和S偏振的第二光泵信号si2(图4d)。 [0068] 如图4a至图4d所示，在所述情况下，第二谐波光学信号su3具有基本上为P或S偏振的主要分量，这取决于采取的情况；该主要分量的存在在20度和45度之间的倾斜角度α，尤其在接近于35度的倾斜角度α尤其显著。 [0069] 详细地，在光泵信号si1和si2以相同的方式(类型P或类型S)偏振的情况下，第二谐波光学信号su3基本上为P偏振，而与光泵信号si1和si2是P偏振还是S偏振的事实无关。反之亦然，在光泵信号si1和si2以不同的方式偏振的情况下，即，它们中的一个是P偏振而另一个是S偏振的情况下，第二谐波光学信号su3基本上为S偏振。 [0070] 上述光泵信号si1和si2的偏振是通过构造(即，通过及时地作用于)偏振片6a和6b而使得随着时间可仅表现为两个值的电特性(P或S偏振)，因此光泵信号si1和si2的偏振属于只包括P偏振和S偏振的、可能的偏振的二元组[P，S]。因此，这些值与各逻辑状态相关联，而这些逻辑状态又由位“0”和位“1”逻辑表示。具体地，通过将逻辑状态“1”与“S”偏振相关联以及将逻辑状态“0”与“P”偏振相关联，以下是本光学逻辑门的操作： [0071] 当在输入端提供相等的两个位(“00”或“01”)时，确切地说当光泵信号si1和si2具有相同的偏振时，在输出端提供位“0”，确切地说第二谐波光学信号su3为P偏振，以及[0072] 当在输入端提供不同的两个位(“01”或“10”)时，确切地说当光泵信号si1和si2具有不同的偏振时，在输出端提供位“1”，确切地说第二谐波光学信号su3为S偏振。 [0073] 因此，从逻辑角度来看，本光学逻辑门1实现了EXOR真值表。 [0074] 反之亦然，通过将逻辑状态“0”与“S”偏振相关联且将逻辑状态“1”与“P”偏振相关联，以下是本光学逻辑门的操作： [0075] 当在输入端提供相等的两个位(“00”或“01”)时，在输出端提供位“1”，以及[0076] 当在输入端提供不同的两个位(“01”或“10”)时，在输出端提供位“0”。 [0077] 因此，在该模式下，本光学逻辑门1实现了EXNOR真值表。 [0078] 与电逻辑门不同，本光学逻辑门允许使用光学信号执行逻辑运算，因此，具有快速的切换、没有消耗并且具有将光学逻辑门本身集成在复杂光学电路中来实现复杂的逻辑功能的可能性。 [0080] 例如，可使用具有与具有6mm点群对称的非中心对称的六边形单位晶格的纤锌矿类似的晶体结构的任何材料来取代GaN作为第二谐波发生器层22的材料，例如硒化镉(CdSe)、氧化锌(ZnO)、纤锌矿硫化锌(α-ZnS)和纤锌矿碳化硅(α-SiC)。此外，虽然AlN中间层的存在允许GaN层生长有较少的晶格缺陷，但是AlN中间层21是可选的。可使用诸如以二向色性滤光器为例的其他偏振控制装置来取代半波偏振片。 [0081] 关于光泵信号si1和si2，它们可具有相互不同的角频率(例如，等于ω1和ω2)，第二谐波光学信号su3因此具有ω1+ω2的角频率。在该情况中，式子3和4分别归纳为如下： [0082] [0083] [0084] 其中，A是先前限定的横向面积，Wi1和Wi2是光泵信号si1和si2的功率，ti1和ti2是光泵信号si1和si2在空气-第二谐波发生器层22间的界面处的菲涅尔透射系数，Tω1+ω21是第二谐波光学信号su3从第二谐波发生器15(即，蓝宝石基板与空气间的界面)输出的菲涅尔透射系数，nωi、n2ωi和nω1+ω2是GaN在角频率为ω1、ω2和ω1+ω2时的各折射率，deff(α)是有效的极化率。此外，L是第二谐波发生器层22的厚度，λ是真空中的波长，αr1和αr2是光泵信号si1和si2在GaN和空气间的界面的折射角度，αr3是由第二谐波光学信号su3关于法线n形成的角度。 [0085] 应注意，在光泵信号si1和si2具有不同角频率的情况下，第二谐波光学信号su3不再与平分线b共线。还应注意，上述光泵信号si1和si2可以是非线性偏振的。 [0086] 为了能够补偿光学路径4a和4b长度的差，可使用至少一条已知类型的延迟线插入光学路径4a和4b之一中，使得光泵信号si1和si2时间上在同一时刻到达第二谐波发生器元件15。此外，可使用与上述不同类型的光源2，例如，非脉冲型或具有不同波长的光源。 |
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