技术领域
[0001] 本
发明涉及光
电子集成技术领域，尤其涉及一种读写可控的硅基集成光缓存器。
背景技术
[0002] 全光缓存技术的研究作为光
量子计算机实现的一个重点问题也得到人们越来越多的关注。光量子计算技术中数据的调度与控制是光
量子计算机的
基础，无论在CPU中还是在整机中，各种各样用于存取数据的寄存器、
存储器、缓存器充斥于其中。当芯片间采用光互连之后，数据的存储如果能够在光域中进行，而不需要进行多次的光电光转换，无论从提高速率、改善
信号质量以及降低能耗等各个
角度看都是有利的。对于全光网的
节点设备而言，如全光交换路由器，它的节点量、吞吐量、丢包率等特性，都直接与它的存储器的容量、存取速度等特性有关，全光缓存技术既可以提供可调的缓存时间以便节点进行
帧头处理，同时还可以解决同一端口的竞争问题，因此全光缓存技术是全光路由控制和解决通道竞争的一个关键技术，其好坏直接决定了光量子计算机信息处理及存储的性能。因此，全光缓存器的研究对于未来光量子计算机的发展有着重要的意义。
[0003] 目前在所有研究中，各种结构的光缓存器具有其各自的优势与挑战：基于电诱导透明(EIT)慢光缓存器成本高，系统结构及制造工艺复杂，因此很难实现；基于光纤延迟线的光
缓冲器虽可以提供较大的延迟，但其
分辨率受到调谐步骤的限制，且其尺寸大，不容易集成到微系统中；基于
光子晶体慢光效应的光缓存器，存在与
受激布里渊散射(SBS)慢光效应的相同难题，其延迟时间动态范围小，总延迟时间不足纳秒量级；光微环
谐振器是一种尺寸小、结构紧凑的光学器件，它与光子
晶体结构的光缓存器具有可比性，但在其光学性能、可调性、灵活性和再现性上比光子晶体结构的光缓存器略逊一筹，并且不可能同时减小多环谐振光缓冲器的尺寸和色散。而采用光
开关和
波导延迟线多级级联的结构虽然实现光延迟量的大范围调节，但是从真正意义上来讲它并不是缓存，更准确地说法是暂存器。此外，这些类型的缓存器都受制于带宽与延迟时间的限制，即存储时间与系统带宽的乘积是固定的。在
谐振腔内长时间存储
大数据是不可能的。
[0004] 国际上研究非互易性波导的研究单位虽然有一些，但他们的研究大都集中在利用非互易性波导实现光隔离器、光环形器等非互易器件，目前还没有将其应用于光缓存器的相关研究报道。此外，该项研究大都集中在太赫兹波段，并没有找到在光通信波段的相关研究报道，但太赫兹频域
光谱有
辐射功率低、
频谱范围窄等
缺陷，并且太赫兹器件的尺寸大都在数十微米到毫米量级，系统尺寸难以实现微型化。
[0005] 评价光缓存器性能的一个很重要的方面是信号光“写入”与“读取”操作的难易程度。传统基于
半导体SOA
放大器的全光缓存器中，由于
光信号需要反复通过
光放大器，容易引起噪声的积累，而且控制技术相对复杂。
发明内容
[0006] 本发明之目的在于提供一种读写可控的硅基集成光缓存器，其结构简单、便捷可控，还可以实现在光通信C波段信号光的缓存与读写控制。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种读写可控的硅基集成光缓存器，包括左右依次设置的非互易硅基矩形波导和
石墨烯层，所述
石墨烯层集成在所述非互易硅基矩形波导的右侧输出端面形成读/写控制端面；
[0008] 所述读/写控制端面通过施加
电压的方式调控石墨烯透射系数，决定进入所述非互易硅基矩形波导的单向传输信号光能否透过所述石墨烯层，实现对光缓存器读/写的控制。
[0009] 优选地，对所述石墨烯层加载较
低电压时，石墨烯透射系数较小，进入所述非互易硅基矩形波导的单向传输信号光在所述石墨烯层表面反射，进行振幅积累，对光缓存器实现写的控制；
[0010] 对所述石墨烯层加载较高电压时，石墨烯透射系数变大，所述非互易硅基矩形波导中存储的光脉冲信号透过所述石墨烯层，实现对光缓存器读的控制。
[0011] 优选地，所述非互易硅基矩形波导包括按
自下而上顺序依次叠接的金属纳米层、磁光材料层、硅半导体层和金属纳米层。
[0012] 优选地，所述非互易硅基矩形波导尺寸为纳米量级。
[0013] 优选地，所述金属纳米层为Ag金属纳米层。
[0014] 优选地，所述磁光材料层为Ce:YIG层。
[0015] 优选地，所述磁光材料层在外加
磁场的作用下，并且在光通信C波段
波长条件下打破
介电常数对称性，产生旋电
各向异性，使光具有单向传输的性质。
[0016] 优选地，利用所述磁光材料层的法拉第旋光系数调控非互易
频率区间，所述法拉第旋光系数与非互易频率区间的大小成正比。
[0017] 优选地，所述光通信C波段波长范围为1530～1565nm。
[0018] 优选地，通过调控加载在所述石墨烯层的外部电压，以调整所述石墨烯层的化学势、电导率及介电常数，使所述石墨烯层显示出金属性质，实现光开关的功能。
[0019] 优选地，通过提高所述石墨烯层的化学势减小所述石墨烯层表面波的损耗。
[0020] 本发明提供的一种读写可控的硅基集成光缓存器相比
现有技术具有以下有益效果：
[0021] 1、本发明采用的磁光材料层在外加磁场作用下可以打破“时间-带宽”极限的限制，并且带宽区间可调，还可以工作在光通信C波段。
[0022] 2、本发明的非互易硅基矩形波导的输出控制端面采用石墨烯材料的读写控制方案，可以实现方便可调、低损耗的信号光写入与读出光缓存器的操作。
附图说明
[0023] 下面将简要说明本
申请所使用的附图，显而易见地，这些附图仅用于解释本发明的构思。
[0024] 图1为本发明的一种读写可控的硅基集成光缓存器的结构示意图；
[0025] 图2为非互易硅基矩形波导的色散曲线图；
[0026] 图3为非互易硅基矩形波导的单向传输区域的群速度图；
[0027] 图4为石墨烯层在光通信1550nm波段下电导率随化学势变换的曲线图；
[0028] 图5为石墨烯层在光通信1550nm波段下介电常数随化学势变换的曲线图。
[0029] 附图标记汇总：
[0030] 1、金属纳米层 2、磁光材料层 3、硅半导体层[0031] 4、金属纳米层 5、石墨烯层
具体实施方式
[0032] 在下文中，将参照附图描述本发明的一种读写可控的硅基集成光缓存器的实施方式。
[0033] 在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本申请
权利要求书和
说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式的做出任何显而易见的替换和
修改的技术方案。
[0034] 本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施方式的各部件的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同或相似的部分。
[0035] 以下参照图1至图5对本发明的具体
实施例进行解释说明。
[0036] 如图1所示，本发明提供了一种读写可控的硅基集成光缓存器，包括左右依次设置的非互易硅基矩形波导和石墨烯层5，其中该石墨烯层5集成在非互易硅基矩形波导的右侧输出端面形成读/写控制端面。该读/写控制端面通过施加电压的方式调控石墨烯透射系数，决定进入非互易硅基矩形波导的单向传输信号光能否透过石墨烯层5，实现对光缓存器读/写的控制。
[0037] 在本发明的进一步实施例中，非互易硅基矩形波导包括按自下而上顺序依次叠接的金属纳米层1、磁光材料层2、硅半导体层3和金属纳米层4。优选地，非互易硅基矩形波导尺寸为纳米量级，金属纳米层1、4为Ag金属纳米层，磁光材料层2为Ce:YIG层。
[0038] 本发明的金属纳米层1、4选用Ag金属纳米层，是因为金属Ag与其他金属相比具有更低的损耗。
[0039] 本发明的磁光材料层2为Ce:YIG层。在外加磁场的作用下，磁光材料层2(Ce:YIG层)可以在光通信C波段波长条件下打破介电常数对称性，产生旋电各向异性，即打破洛伦兹互异性，实现“时间-带宽极限”的超越，并使光具有单向传输的性质。其中，光通信C波段波长范围为1530～1565nm。磁光材料的介电常数表示为：
[0040] 本发明通过利用磁光材料层2的法拉第旋光系数调控非互易频率区间，并且法拉第旋光系数与非互易频率区间的大小成正比。其中，为了计算光缓存器的非互易频率区间，通过色散方程进行计算可以得到如图2所示的非互易硅基矩形波导结构的色散曲线，上述色散方程为：
[0041]
[0042] 其中，上述色散方程中：k为传播常数，在硅半导体层 k0＝ω/c为
真空中
波数，硅的相对介电常数为εSi，该硅半导体层3厚度为d；在磁光材料层为磁光材料的佛克脱介电常数；在非互易硅基矩形波导的外
包层 εm为外层材料的介电常数，t为时间。由于对洛伦兹互易性的破坏，其色散曲线关于波矢k不对称，在不对称的频率(图中两
水平虚线之间)区域内可以实现完全的单向传输，非互易硅基矩形波导表现出非互易性。其中法拉第旋光系数的大小决定了非互易频率区间的大小。由此使得非互易硅基矩形波导在外加磁场作用下可以打破“时间-带宽”极限的限制，最大非互易频率区间可达6.88×1013rad/s，信号光可在该宽频带上单向传输。因此，将信号光注入非互易硅基矩形波导，在外磁场的作用下可以实现非互易单向传输。
[0043] 对于非互易硅基矩形波导而言，其色散曲线的斜率对应于非互易硅基矩形波导中的归一化传播速度vg/c。为了计算光缓存器的缓存性能，利用色散方程得到色散曲线，并结合
电磁波群速度公式 通过计算可以得到图3所示非互易硅基矩形波导的缓存性能，图3计算了不同法拉第旋光系数Θf的非互易硅基矩形波导，其归一化群速度与归一化角频率ω/ωp和归一化传播常数k/kp的关系.可以看出不管是随着ω(虚线)增大还是随着k(实线)增大，均出现群速度减慢现象.并且当法拉第旋转系数为57deg/um时，慢光效应更明显，最小传输速度可达到1.25×10-4c。
[0044] 本发明的非互易硅基矩形波导的读/写控制端面由集成在非互易硅基矩形波导端面上的石墨烯层5组成。通过调控加载在石墨烯层5的外部电压，调整其化学势、改变电导率及介电常数，使石墨烯层5显示出特殊的金属性质，实现光开关的功能；以及通过提高石墨烯层的化学势可以减小其表面波的损耗。
[0045] 通过如下库伯公式可对其表面电导率进行计算：
[0046]
[0047] 其中，e表示电子电量，ε表示
能量，为约化普朗克常数，ω表示角频率，为电子的费米-狄拉克分布，T为
温度，μc为磁导率(可以通过改变掺杂和偏置电压改变)，Γ为弛豫时间。石墨烯层5的表面介电常数： 其中Δ为
单层石墨烯厚度。以图4、5为例，为根据上述公式根据光通信1550nm波长条件下计算的石墨烯层5电导率随化学势的变化曲线，石墨烯层5的介电常数
实部在0eV到0.4eV之间几乎没有变化，之后随着化学势的增加介电常数实部发生下降；介电常数的
虚部在0.4eV之前随着化学势的增长而增长，随后下降，值得注意的是，石墨烯层5介电常数的实部下降区间是由正到负的，表明石墨烯层5开始由介质的特性向金属的特性转变。其中，化学势大概在0.515eV时候，石墨烯层5的介电常数绝对值最小，几乎为0，这个特殊的点成为ENZ(epsilon near zero)点，此时电磁波能几乎无损的穿过石墨烯层5。
[0048] 因此，本发明可以利用对石墨烯层5透射系数的调控，决定进入非互易硅基矩形波导的单向传输信号光能否透过石墨烯层5，实现对光缓存器读/写的控制。当信号光传输到非互易硅基矩形波导和石墨烯层5的交界面时，当对石墨烯层5加载较低电压时，石墨烯透射系数较低，进入非互易硅基矩形波导的单向传输信号光在石墨烯表面反射，进行振幅积累，对光缓存器实现写的控制。而当对石墨烯层5加载较高电压时，非互易硅基矩形波导中存储的光脉冲信号可以透过石墨烯，实现对光缓存器读的控制。
[0049] 上对本发明的一种读写可控的硅基集成光缓存器的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。请注意，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对上述各实施方式的特征进行修改和组合，因此，本发明并不限于上述各实施方式。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。
