專利名稱：基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光信息處理與光計算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于并行雙微環(huán)諧 振器的光學邏輯門，特別地，該光學邏輯門用一種結(jié)構(gòu)緊湊的硅基集成化微環(huán)諧振器實現(xiàn) 邏輯運算功能。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們?nèi)粘Ｉ钪兴媾R的待處理的 信息量大大增加，如視頻會議、可視電話、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等。這樣以來，傳統(tǒng)的電子學的 信息處理與計算無論是在功耗還是在速度方面都存在很大的弊端。光信息處理與光計算作 為代替電信息處理與計算的最有效的途徑之一，其越來越受到科研人員的重視，而作為光 信息處理與光計算的最基本的構(gòu)造單元之一的光學邏輯門也正逐漸成為科研人員的研究執(zhí)占。光學邏輯門是光信息處理與光計算中必不可少的元件。傳統(tǒng)的布爾邏輯門是由三 極管級聯(lián)而成，如TTL與門，對于一個邏輯門需要驅(qū)動多個三極管，這樣功耗相對較高，而 光學邏輯門工作時相當于一個選擇開關(guān)，功耗相對較低。在延時方面，傳統(tǒng)的布爾邏輯門由 于需要多個三極管，每經(jīng)過一個三極管都要引入一個延時，這些延時最終會累加起來，從而 會引入更大的延時，甚至會帶來錯誤的運算結(jié)果，而光學邏輯門所有的輸入都是并行的，每 一個輸入元素相互獨立，最終運算的結(jié)果在光域中以光強的形式表示出來，這樣帶來的延 時很小，可以忽略不計。光學邏輯門可以在一個端口得到運算的邏輯值另一端口得到邏輯 值的非，這樣一個器件可以得到兩種運算結(jié)果。歷史上曾經(jīng)有兩次大規(guī)模的光邏輯與光計算的研究熱潮。當時集成光學還未得到 充分發(fā)展，體光學元件實現(xiàn)的光信息處理系統(tǒng)往往體積龐大而且可編程性極低，與集成度 高、可編程性能優(yōu)越的微電子技術(shù)相比優(yōu)勢非常少。時至今日，在光通信產(chǎn)業(yè)的推動下，借 鑒微電子工藝實現(xiàn)的集成光學器件性能已經(jīng)有了長足進步，能實現(xiàn)的功能越來越豐富，工 作模式也越來越靈活。基于這些集成光學器件的光信息處理研究重新獲得了重視。美國康奈爾大學的Qianfan Xu等科研人員發(fā)表于2007年的“All-optical logic based on silicon micro-ring resonators”描述了他們利用硅基集成化的單個微環(huán)實現(xiàn) 全光的與及與非的邏輯門方法。但是，該方法需要較強的光信號激勵?；诩晒鈱W的邏輯單元易于實現(xiàn)大規(guī)模集成、功耗較低、體積小、延時小、速度 快，在不久的將來可能在高速、高性能的處理器單元及在片上光互連中發(fā)揮著重要作用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯 門，以解決傳統(tǒng)電學邏輯門中的速度瓶頸、功耗、門延時以及由門延時而帶來的競爭與冒險 的問題，達到提高光信息處理與光計算中信息處理速度的目的，并保持器件的小體積、低功耗及低成本。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，該光 學邏輯門由兩個并行的微環(huán)諧振器和兩條相互平行的納米線波導實現(xiàn)，其兩個輸入是待計 算的電脈沖序列，輸出的計算結(jié)果是光脈沖序列。上述方案中，該光學邏輯門采用絕緣體上的硅(SOI)材料制備，基本單元為帶熱 調(diào)制機構(gòu)或電調(diào)制機構(gòu)的微環(huán)諧振器。在信號傳輸速率(兆量級以下)要求不高的情況 下，一般采用熱調(diào)制。熱調(diào)制在工藝上易于實現(xiàn)。在高速(吉量級)傳輸系統(tǒng)需要采用電 調(diào)制，但是，相比于熱調(diào)制，電調(diào)制的工藝稍微復雜。上述方案中，所述微環(huán)諧振器是由兩條相互平行的直波導和一個環(huán)形波導構(gòu)成的 微環(huán)諧振器，該環(huán)形波導的外邊緣同時與相互平行的兩個直波導之間有一預定的耦合距 離。這種結(jié)構(gòu)沒有波導交叉出現(xiàn)從而避免了信號間的串擾，提高了微環(huán)諧振器的性能，而且 這種結(jié)構(gòu)還有利于實現(xiàn)多個微環(huán)的級聯(lián)以便實現(xiàn)更為復雜的邏輯功能。上述方案中，該光學邏輯門中的兩個微環(huán)之間有一預定的距離。上述方案中，該光學邏輯門用于實現(xiàn)四種邏輯運算功能，該四種邏輯運算功能的 實現(xiàn)過程是器件有一個端口輸入特定工作波長的連續(xù)激光，待運算得兩個電脈沖序列分 別作用于兩個微環(huán)諧振器；定義電信號是高電平時，微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)，電信號是低 電平時，微環(huán)諧振器處于非諧振狀態(tài)，則在光學邏輯門的下載端就能得到兩個電脈沖序列 的‘或’運算的光脈沖序列，直通端就能得到‘或非’運算的光脈沖序列。該邏輯值都是在光 域中以光強的形式所表示。如果我們在輸出端口加入光電探測器就可以得到運算的結(jié)果。 運算的結(jié)果是以光波的形式所表示，該結(jié)果當然可以直接在光纖中傳輸從而直接進入下一 級進行處理。上述方案中，定義電信號是高電平時，微環(huán)諧振器處于非諧振狀態(tài)，電信號是低電 平時，微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)，則在光學邏輯門的下載端就能得到兩個電脈沖序列的‘與 非’運算，直通端就能得到‘與’運算。上述方案中，該光學邏輯門同時實現(xiàn)邏輯‘與’和邏輯‘與非’的過程與實現(xiàn)邏輯 ‘或’和邏輯‘或非’的過程是基本一樣的。只是我們對微環(huán)的諧振狀態(tài)采用了不同的定義 而已。對微環(huán)的諧振狀態(tài)定義如下假定加在微環(huán)上的電壓為低電平(邏輯‘0 ‘)時微環(huán) 諧振器處于諧振狀態(tài)(反向定義)，加在微環(huán)上的電壓為高電平時微環(huán)諧振器處于非諧振 狀態(tài)，這樣我們就在器件的下載端得到了加在兩個微環(huán)上的兩個電脈沖的邏輯‘與非’，而 在器件的直通端就得到了兩個電脈沖的邏輯‘與’。該邏輯值都是在光域中以光強的形式所 表示。如果我們在輸出端口加入光電探測器就可以得到運算的結(jié)果。運算的結(jié)果是以光波 的形式所表示，該結(jié)果當然可以直接在光纖中傳輸從而直接進入下一級進行處理。上述方案中，待運算的兩個電脈沖序列對各自的微環(huán)諧振器的作用方式由人為定 義決定，這里有兩種定義一、當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯“0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處 不諧振，光信信號直通；當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯“1”時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振， 光信號下路；二、當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯“ 1”時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，光信 信號直通；當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯“0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振，光信號下路。上述方案中，待運算的兩個電脈沖序列的各個邏輯值在時間上要精確對齊，即各個邏輯值在時間上精確同步。在高速工作模式下，需要對電極進行特殊的設(shè)計及電磁兼容 方面的分析與模擬。上述方案中，所述光脈沖序列能夠直接進入下一級進行運算，或者在輸出端接入 光電探測器從而直接讀出計算結(jié)果。(三)有益效果本發(fā)明的突出優(yōu)點是利用了光的自然特性實現(xiàn)的光學邏輯門代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電學邏 輯門，從而可以實現(xiàn)高速大容量的并行計算。利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗 低，擴展性好，便于與電學元件集成。這使得本發(fā)明在光信息處理和光計算網(wǎng)絡(luò)中具有很好 的應(yīng)用前景。


圖1為兩個相互平行的直波導和一個環(huán)形波導組成的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)(MRR)，對 于在輸入端(1)輸入某些特定波長的信號光(滿足諧振條件的信號光)，該信號光會被微環(huán) 諧振器下載從而在下載端C3)輸出，對于其他的信號光(不滿足諧振條件的信號光)會毫 無影響的在直通端( 輸出。圖2為用來對MRR進行調(diào)諧的電極結(jié)構(gòu)，在電極上施加電壓，通過產(chǎn)生熱量或者改 變材料中的載流子濃度來改變環(huán)形波導的群折射率從而改變MRR的諧振波長，實現(xiàn)動態(tài)濾 波；圖3為兩個并行的MRR實現(xiàn)邏輯‘或’和‘或非’運算的工作原理示意圖，這里有 兩個電脈沖輸入X和Y，兩個光脈沖輸出Yl和Y2，其中Yl是X和Y的逐比特的‘或’運算， Y2是X和Y的逐比特的‘或非’運算。圖4為兩個并行的MRR實現(xiàn)邏輯‘與’和‘與非’運算的工作原理示意圖，這里有兩 個電脈沖輸入X和Y，兩個光脈沖輸出Yl和Y2，其中Yl是X和Y的逐比特的‘與非’運算， Y2是X和Y的逐比特的‘與’運算。圖5為接收端使用本發(fā)明所得到的信號碼形圖，其中圖(a)和(b)表示兩個待運 算的電脈沖，圖(c)表示光電探測器得到的兩個電脈沖的‘或’運算的結(jié)果；圖6為接收端使用本發(fā)明所得到的信號碼形圖，其中圖(a)和(b)表示兩個待運 算的電脈沖，圖(C)表示光電探測器得到的兩個電脈沖的‘或非’運算的結(jié)果；圖7為接收端使用本發(fā)明所得到的信號碼形圖，其中圖(a)和(b)表示兩個待運 算的電脈沖，圖(c)表示光電探測器得到的兩個電脈沖的‘與’運算的結(jié)果；圖8為接收端使用本發(fā)明所得到的信號碼形圖，其中圖(a)和(b)表示兩個待運 算的電脈沖，圖(c)表示光電探測器得到的兩個電脈沖的‘與非’運算的結(jié)果。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為微環(huán)諧振器，采用硅基集成納米線波導制作。該光學邏輯門 由兩個相互平行的直波導和兩個微環(huán)構(gòu)成，它有兩個待計算的電脈沖輸入和一個處于工作 波長的連續(xù)光輸入，輸出是攜帶了兩個電脈沖計算結(jié)果的光脈沖。輸出的光脈沖可以在光纖中傳輸直接進入下一級的信息處理，當然，如果在輸出端接入光電探測器則就可以得到 攜帶計算結(jié)果的電脈沖，從其脈沖圖中可以直接讀出計算結(jié)果。本發(fā)明是基于硅基集成化的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，可以采用SOI、SIN、III-V族材料實 現(xiàn)。本發(fā)明提出的光學邏輯門是基于SOI材料實現(xiàn)的，其突出的優(yōu)點是；工藝方面與CMOS 工藝是兼容的，從而可以利用現(xiàn)成的CMOS工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴展性好， 便于與電學元件集成。本發(fā)明提出的硅基集成化光學邏輯門之所以具有這些優(yōu)點，與它所 采用的材料屬性及器件工作原理關(guān)系密切。首先，在材料方面，本發(fā)明采用的是絕緣襯底上的硅(S0I， Silicon-On-Insulator)材料。SOI是指在Si02絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅 薄膜，其工藝與現(xiàn)在微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CMOS工藝是兼容的。利用SOI材料制成的硅波 導，其芯層是Si (折射率為3. 45)，包層是Si02 (折射率為1. 44)，這樣包層和芯層的折射率 差很大，所以該波導對光場的限制能力很強使得其彎曲半徑可以很小(目前已有基于SOI 材料彎曲波導的彎曲半徑達到1. 5微米的報道)，從而使器件的面積很小，在一塊芯片上可 以制作出多個器件。傳統(tǒng)波導器件(如LiNbO3)的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級，極 大的占用了芯片面積，一塊芯片上通常只能放下一個器件。其次，在器件方面，本發(fā)明的基本單元為基于硅基納米線波導的微環(huán)諧振器，它是 一種功能多樣，性能優(yōu)越，近年來被廣泛研究的集成光學元件。圖1為平行結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振 器的結(jié)構(gòu)圖，它由兩個相互平行的直波導和一個環(huán)形波導組成。利用微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以 實現(xiàn)光緩存、光調(diào)制器、光濾波器、光分插復用器、光學邏輯門等很多光信息處理與光通信 所用的功能部件。由于環(huán)形波導的半徑可以小至1. 5微米，其器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以實現(xiàn) 器件高密度集成，減少分立器件耦合時的損耗，同時降低器件的封裝成本。如圖1所示的微環(huán)諧振器(MRR)是本發(fā)明的基本單元。該MRR是由兩個相互平行 的直波導和一個環(huán)形波導構(gòu)成，整個結(jié)構(gòu)中沒有波導交叉出現(xiàn)，從而減少了因交叉而帶的 損耗和串擾問題。下面通過分析光信號在圖1所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其工作原理(1、2 端口之間的直波導稱為a，3、4端口之間的直波導稱為b)假定信號光從輸入端1輸入，當信號光經(jīng)過耦合區(qū)(在直波導和彎曲波導距離最 近處的一個范圍)時，信號光通過倏逝場耦合作用會耦合進入微環(huán)中，對于滿足諧振條件 (mX λ =NgX 2 π XR)的信號光會被微環(huán)諧振器下載，信號光從下載端3輸出，對于不滿足 諧振條件的信號光將會毫無影響的通過耦合區(qū)在直通端2輸出。對于端口 4我們稱之為上 載端，該微環(huán)諧振器是一個對稱結(jié)構(gòu)，所以如果信號光從上載端4輸入，其原理是與信號光 從輸入端1輸入是一樣的，這里不再重述。上面分析的是MRR的靜態(tài)工作特性，即MRR會固定地使某些波長信號下路(滿足 諧振條件的波長)，某些波長信號直通(不滿足諧振條件的波長)。實際工作時，需要MRR諧 振波長動態(tài)可調(diào)(即動態(tài)濾波)以實現(xiàn)更加復雜的功能。通過上面的諧振條件公式(mX λ =Ν8Χ2π XR)可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長以實現(xiàn)動態(tài)濾波，可以改變的物理量有環(huán)形波導 的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之后就確定下來，無法進行調(diào)節(jié)。所以只能通 過調(diào)節(jié)環(huán)形波導的群折射率Ng，來改變MRR的諧振波長。群折射率與材料的折射率有關(guān)，隨 材料的折射率變化而變化。我們可以采取兩種方法來改變材料的折射率從而改變材料的群折射率一是通過對材料加熱(具體辦法是在硅波導上通過MOCVD淀積一層金屬作為加熱 熱極)改變材料的溫度從而改變材料的折射率也即是所謂的熱光效應(yīng)。二是通過載流子注 入來改變材料的折射率(電光效應(yīng))。一般在高速系統(tǒng)中采用電光效應(yīng)。本發(fā)明主要是利 用熱光效應(yīng)來說明器件的工作原理。我們通過熱極對硅波導加熱來改變材料的折射率從而 可以動態(tài)選擇需要下載的光信號及需要直通的光信號，使得光信號可以在動態(tài)控制下在下 載端輸出或者在直通端輸出。圖2所示為MRR的熱調(diào)制機構(gòu)，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導至波導，使波導的 溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導的群折射率Ng發(fā)生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。當然，也可 以通過電光效應(yīng)實現(xiàn)MRR的調(diào)諧，電光調(diào)諧適于對調(diào)制速率要求高的場合。圖3是使用兩個并行MRR實現(xiàn)邏輯‘或’和‘或非’運算的結(jié)構(gòu)示意圖。在光信號 輸入端1輸入處于工作波長的連續(xù)信號光(CW)，然后分別對兩個微環(huán)加上調(diào)制電壓對微環(huán) 加熱從而改變微環(huán)的諧振波長。假如微環(huán)在調(diào)制電壓為高電平時諧振(正向定義)，則調(diào) 制電壓為高電平時，信號光將從下載端Yl輸出，當調(diào)制電壓為低電平時信號光將從直通端 Υ2輸出。并假設(shè)加在第一個微環(huán)上的調(diào)制電壓脈沖為X，加在第二個微環(huán)上的調(diào)制電壓脈 沖為Y。由結(jié)構(gòu)示意圖可知，當X = 1時(第一個微環(huán)加高電平)，無論Y取何值信號光都 將從下載端Yl輸出而直通端Υ2無信號光輸出，同理當Y = 1時(第二個微環(huán)加高電平)， 無論X取何值信號光也將會從下載端Yl輸出而直通端Υ2無信號光輸出。這也就是說只要 兩個微環(huán)所加的電壓脈沖有一個是高電平(也就是說X和Y只要有一個為邏輯1)信號光 將從下載端Yi輸出，當且僅當兩個微環(huán)所加的電壓脈沖同時為低電平時(也就是說X和Y 同時為邏輯0)信號光才會從直通端Υ2輸出。把有信號光輸出用邏輯1表示，無信號光輸 出用邏輯0表示，這樣器件就在下載端Yl完成了兩個電脈沖X和Y的邏輯‘或’運算而在 直通端Υ2完成了兩個電脈沖X和Y的邏輯‘或非’運算，其真值表如下
權(quán)利要求
1.一種基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，該光學邏輯門由兩個并行 的微環(huán)諧振器和兩條相互平行的納米線波導實現(xiàn)，其兩個輸入是待計算的電脈沖序列，輸 出的計算結(jié)果是光脈沖序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，該光學 邏輯門采用絕緣體上的硅SOI材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機構(gòu)或電調(diào)制機構(gòu)的微環(huán)諧 振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，所述微 環(huán)諧振器是由兩條相互平行的直波導和一個環(huán)形波導構(gòu)成的微環(huán)諧振器，該環(huán)形波導的外 邊緣同時與相互平行的兩個直波導之間有一預定的耦合距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，該光學 邏輯門中的兩個微環(huán)之間有一預定的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，該光學 邏輯門用于實現(xiàn)四種邏輯運算功能，該四種邏輯運算功能的實現(xiàn)過程是器件有一個端口 輸入特定工作波長的連續(xù)激光，待運算得兩個電脈沖序列分別作用于兩個微環(huán)諧振器；定 義電信號是高電平時，微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)，電信號是低電平時，微環(huán)諧振器處于非諧 振狀態(tài)，則在光學邏輯門的下載端就能得到兩個電脈沖序列的‘或’運算的光脈沖序列，直 通端就能得到‘或非’運算的光脈沖序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，定義 電信號是高電平時，微環(huán)諧振器處于非諧振狀態(tài)，電信號是低電平時，微環(huán)諧振器處于諧振 狀態(tài)，則在光學邏輯門的下載端就能得到兩個電脈沖序列的‘與非’運算，直通端就能得到 ‘與’運算。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，待運算 的兩個電脈沖序列對各自的微環(huán)諧振器的作用方式由人為定義決定，這里有兩種定義一、 當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯“0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，光信號直通；當電脈沖 序列中出現(xiàn)邏輯“ 1”時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振，光信號下路；二、當電脈沖序列中 出現(xiàn)邏輯“1”時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，光信號直通；當電脈沖序列中出現(xiàn)邏輯 “0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振，光信號下路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，待運算 的兩個電脈沖序列的各個邏輯值在時間上要精確對齊，即各個邏輯值在時間上精確同步。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，其特征在于，所述光 脈沖序列能夠直接進入下一級進行運算，或者在輸出端接入光電探測器從而直接讀出計算 結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于并行雙微環(huán)諧振器的光學邏輯門，該光學邏輯門由兩個并行的微環(huán)諧振器(MRR)和兩條相互平行的納米線波導實現(xiàn)，其兩個輸入是待計算的電脈沖序列，輸出的計算結(jié)果是光脈沖序列。利用本發(fā)明解決了傳統(tǒng)電學邏輯門中的速度瓶頸、功耗、門延時以及由門延時而帶來的競爭與冒險的問題，達到提高光信息處理與光計算中信息處理速度的目的，并保持器件的小體積、低功耗及低成本。
文檔編號G02F3/00GK102062988SQ20101060653
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者楊林, 田永輝 申請人:中國科學院半導體研究所