專利名稱：基于單波導(dǎo)耦合微環(huán)諧振腔的光學(xué)向量-矩陣乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光信息處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)向量-矩陣乘法器。
背景技術(shù)：
光學(xué)向量-矩陣乘法器是光學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的光學(xué)系統(tǒng)。最早的 光學(xué)向量-矩陣乘法器的模型是由美國(guó)Manford大學(xué)的J. W. Goodman提出的，通常稱為 “斯坦福向量矩陣乘法器”。該光學(xué)向量-矩陣乘法器主要包括三個(gè)部分，即光源陣列、矩陣 掩模和探測(cè)器陣列。首先利用一行發(fā)光二極管作為輸入向量，在發(fā)光二極管陣列和矩陣掩 模之間安排光路使每個(gè)發(fā)光二極管只照亮矩陣掩膜的一列，再在矩陣掩模后安排這樣的光 路，使來自矩陣掩模每一行的光聚焦在不同的探測(cè)元件上，于是掩模上每行透射的光在一 個(gè)唯一的探測(cè)元件上按光學(xué)方式相加。該結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上面臨很多挑戰(zhàn)。無 論是光源陣列、探測(cè)器陣列，還是空間光調(diào)制器，從精度、維數(shù)到速度等指標(biāo)，都有技術(shù)上的 限制。此外，由于光信號(hào)在自由空間傳播與分集，能量利用率低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝調(diào)難度大。光學(xué)向量矩陣乘法器的提出是在上世紀(jì)七十年代末，而從上世紀(jì)七十年代到如今 這近半個(gè)世紀(jì)，正是微電子產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。如今在信息處理領(lǐng)域尤其數(shù)字計(jì)算方面， 基于微電子學(xué)大規(guī)模集成電路而構(gòu)建的信息處理系統(tǒng)由于其巨大的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)著壟斷的地 位。以光子為媒質(zhì)的信息處理相對(duì)于以電子作為媒質(zhì)的信息處理的優(yōu)勢(shì)，如并行性好、帶寬 資源豐富，仍然存在。因而光學(xué)信息處理在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如超高速計(jì)算，視頻壓縮，雷達(dá)信 號(hào)處理等，仍然具有極大的應(yīng)用潛力。不過，光學(xué)信號(hào)處理已不能作為電學(xué)信號(hào)處理的替代 技術(shù)，而必須作為一種輔助手段，以類似于加速器的功能模塊嵌入到系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的整 體性能。這樣，傳統(tǒng)光學(xué)信號(hào)處理器與現(xiàn)代微電子信息處理系統(tǒng)的兼容性就成為一個(gè)必須 解決的技術(shù)問題。在解決光學(xué)系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)的兼容性方面，硅基光子學(xué)無疑具有巨大的潛力。首 先，硅基光子學(xué)與微電子學(xué)所應(yīng)用的材料都是相同的；其次，制作硅基波導(dǎo)器件的工藝與傳 統(tǒng)的CMOS工藝相兼容。這樣，既可以節(jié)約開發(fā)新技術(shù)的成本，又能方便地實(shí)現(xiàn)器件的混合 集成。目前，各種硅基光電器件已經(jīng)得到驗(yàn)證，器件性能也在不斷提升。這些光電器件主要 包括硅基激光器、硅基電光調(diào)制器、硅基光電探測(cè)器、以及各種基于硅波導(dǎo)的無源器件。在 這樣的背景下，我們利用硅基集成光學(xué)的辦法，克服了傳統(tǒng)信息光學(xué)的諸多瓶頸限制，提出 一種集成化的光學(xué)向量-矩陣乘法器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于單波導(dǎo)耦合微環(huán)諧振腔的光學(xué)向量-矩陣乘法 器，以期避免傳統(tǒng)光學(xué)向量-矩陣乘法器與電學(xué)系統(tǒng)兼容性差的缺點(diǎn)，并提高了器件的集 成度和可擴(kuò)展性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于單波導(dǎo)耦合微環(huán)諧振腔的光學(xué)向量-矩陣 乘法器，包括
一襯底；一埋層，該埋層制作在襯底上；

一頂層，該頂層制作在埋層上，該頂層的上面刻蝕有梳狀結(jié)構(gòu)，該梳狀結(jié)構(gòu)包括背 部和齒部，該齒部的側(cè)向刻蝕有可調(diào)諧微環(huán)諧振腔，齒部的每個(gè)齒與鄰近的多個(gè)可調(diào)諧微 環(huán)諧振腔相耦合形成級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器；其中該梳狀結(jié)構(gòu)的背部的中間形成光信號(hào)輸入 端；該梳狀結(jié)構(gòu)的齒部的尾部形成光信號(hào)的輸出端。其中所述梳狀結(jié)構(gòu)為一分束器，其作用是將輸入的光學(xué)信號(hào)分配到齒部的每個(gè)齒 對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器中。其中所述光信號(hào)輸入端輸入的光信號(hào)是具有同步周期的多波長(zhǎng)信號(hào)，其中的每個(gè) 波長(zhǎng)信號(hào)表示數(shù)字量或表示離散的模擬量。其中所述級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器的作用是完成電學(xué)向量與輸入光學(xué)向量的乘加運(yùn)算， 具體是級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器中的每個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)由一路電信號(hào)來控制；利用可調(diào)諧微環(huán)諧振腔的波長(zhǎng)選擇特性完成對(duì)輸入的多波長(zhǎng)光信號(hào)中某一波長(zhǎng) 的獨(dú)立調(diào)制；在某個(gè)計(jì)算周期內(nèi)，光學(xué)向量被二次調(diào)制后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光強(qiáng)自然疊加，由 光信號(hào)的輸出端輸出。其中所述襯底為硅襯底。其中所述埋層的材料是二氧化硅。其中所述頂層的材料為硅。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、該方案避免了傳統(tǒng)信息光學(xué)中復(fù)雜光路的設(shè)計(jì)。2、該方案在光學(xué)信息的定義、分集設(shè)計(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)首先，利用WDM信號(hào)定義光學(xué) 向量，使得在一個(gè)物理通道內(nèi)同時(shí)并行地傳輸多路信號(hào)，每個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)于虛擬了電學(xué)中的 一條數(shù)據(jù)線，這樣既簡(jiǎn)化了器件的設(shè)計(jì)，又提高了器件的集成度；其次，將輸入向量分配到 矩陣中不同向量時(shí)仍然采用空分的方式，充分利用了光的扇出特性；最后，由于微環(huán)諧振 腔調(diào)制器的波長(zhǎng)選擇性，在不對(duì)輸入向量(WDM信號(hào))進(jìn)行解復(fù)用的情況下，不同工作波長(zhǎng) 的調(diào)制器可以對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立處理，避免了因解復(fù)用/復(fù)用過程帶來的插入損
^^ ο3、微環(huán)諧振腔濾波譜線的窄帶寬特性使其很適合做DWDM信號(hào)的處理，而硅基微 納光波導(dǎo)在整個(gè)通信波段都是透明的，因此該器件的具有很好的擴(kuò)展性，可以充分發(fā)揮光 信號(hào)并行性好的優(yōu)勢(shì)。4、由于采用亞微米波導(dǎo)，并且利用可調(diào)諧微環(huán)諧振腔213作為光信號(hào)的調(diào)制單 元，該器件在集成度方面優(yōu)勢(shì)明顯。另外，可調(diào)諧微環(huán)諧振腔213具有低驅(qū)動(dòng)電壓的特點(diǎn)， 可以基于CMOS工藝進(jìn)行其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，而且整個(gè)器件的加工與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼 容，從而能夠?qū)崿F(xiàn)光電的混合集成。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中圖1依照本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)向量_矩陣乘法器的三維視圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種光學(xué)向量-矩陣乘法器，包括一襯底40，該襯底40為硅襯底；一埋層30，該埋層30制作在襯底40上，該埋層30的材料是二氧化硅，作為光波導(dǎo) 的包層；一頂層20，該頂層20制作在埋層30上，該頂層20的材料為硅，該頂層20的上面 刻蝕有梳狀結(jié)構(gòu)21，該梳狀結(jié)構(gòu)21包括背部211和齒部212，該梳狀結(jié)構(gòu)21為一分束器， 其作用是將輸入的光學(xué)信號(hào)分配到齒部212的每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器22中。其中該梳狀結(jié)構(gòu)21的背部211的中間形成光信號(hào)輸入端10，該光信號(hào)輸入端10 輸入的光信號(hào)是具有同步周期的多波長(zhǎng)信號(hào)，其中的每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)表示數(shù)字量或表示離散 的模擬量；該梳狀結(jié)構(gòu)21的齒部212的尾部形成光信號(hào)的輸出端11。其中該梳狀結(jié)構(gòu)21齒部212的側(cè)向刻蝕有多個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧振腔213，齒部212 的每個(gè)齒與鄰近的多個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧振腔213相耦合形成級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器22，其作用是 完成電學(xué)向量與輸入光學(xué)向量的乘加運(yùn)算，具體是級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器22中的每個(gè)可調(diào)諧 微環(huán)諧振腔213的諧振波長(zhǎng)由一路電信號(hào)來控制；利用可調(diào)諧微環(huán)諧振腔213的波長(zhǎng)選擇 特性完成對(duì)輸入的多波長(zhǎng)光信號(hào)中某一波長(zhǎng)的獨(dú)立調(diào)制；在某個(gè)計(jì)算周期內(nèi)，光學(xué)向量被 二次調(diào)制后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光強(qiáng)自然疊加，由光信號(hào)的輸出端11輸出。參照?qǐng)D1所示的實(shí)施例，本發(fā)明的工作過程為首先，運(yùn)算控制器從輸入端口 10加 載包含λ” λ2，λ 3, A4WWDM光信號(hào)作為輸入的光學(xué)向量，其中待運(yùn)算向量中的每個(gè)元 素對(duì)應(yīng)其中一個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)；然后，光學(xué)向量經(jīng)過梳狀結(jié)構(gòu)21 (即一分四的分束器)進(jìn)行分 束，這樣輸入的光學(xué)向量被平均分配到四個(gè)級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器22中，相當(dāng)于數(shù)學(xué)中的乘法 分配率的物理實(shí)現(xiàn)；接著，由四路電信號(hào)同步控制的級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器22對(duì)輸入的光學(xué)向 量中的每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)電學(xué)向量和輸入光學(xué)向量的乘加運(yùn) 算，即兩個(gè)向量的內(nèi)積運(yùn)算；圖一的方案中并行的排列了四個(gè)級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器，從而可以 并行地實(shí)現(xiàn)4X4矩陣中四個(gè)向量與輸入向量的乘加運(yùn)算，即光學(xué)向量-矩陣乘法；最后，每 個(gè)輸出端口 11的總光強(qiáng)對(duì)應(yīng)結(jié)果向量中的一個(gè)元素，由四個(gè)光學(xué)輸出端11同步輸出，再由 光電探測(cè)元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本 發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于單波導(dǎo)耦合微環(huán)諧振腔的光學(xué)向量-矩陣乘法器，包括一襯底；一埋層，該埋層制作在襯底上；一頂層，該頂層制作在埋層上，該頂層的上面刻蝕有梳狀結(jié)構(gòu)，該梳狀結(jié)構(gòu)包括背部和 齒部，該齒部的側(cè)向刻蝕有可調(diào)諧微環(huán)諧振腔，齒部的每個(gè)齒與鄰近的多個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧 振腔相耦合形成級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器；其中該梳狀結(jié)構(gòu)的背部的中間形成光信號(hào)輸入端；該 梳狀結(jié)構(gòu)的齒部的尾部形成光信號(hào)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述梳狀結(jié)構(gòu)為一分束器，其作 用是將輸入的光學(xué)信號(hào)分配到齒部的每個(gè)齒對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述光信號(hào)輸入端輸入的光信 號(hào)是具有同步周期的多波長(zhǎng)信號(hào)，其中的每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)表示數(shù)字量或表示離散的模擬量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器的作用 是完成電學(xué)向量與輸入光學(xué)向量的乘加運(yùn)算，具體是級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器中的每個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧振腔的諧振波長(zhǎng)由一路電信號(hào)來控制；利用可調(diào)諧微環(huán)諧振腔的波長(zhǎng)選擇特性完成對(duì)輸入的多波長(zhǎng)光信號(hào)中某一波長(zhǎng)的獨(dú) 立調(diào)制；在某個(gè)計(jì)算周期內(nèi)，光學(xué)向量被二次調(diào)制后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光強(qiáng)自然疊加，由光信 號(hào)的輸出端輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述襯底為硅襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述埋層的材料是二氧化硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)向量-矩陣乘法器，其中所述頂層的材料為硅。
全文摘要
一種基于單波導(dǎo)耦合微環(huán)諧振腔的光學(xué)向量-矩陣乘法器，包括一襯底；一埋層，該埋層制作在襯底上；一頂層，該頂層制作在埋層上，該頂層的上面刻蝕有梳狀結(jié)構(gòu)，該梳狀結(jié)構(gòu)包括背部和齒部，該齒部的側(cè)向刻蝕有可調(diào)諧微環(huán)諧振腔，齒部的每個(gè)齒與鄰近的多個(gè)可調(diào)諧微環(huán)諧振腔相耦合形成級(jí)聯(lián)多波長(zhǎng)調(diào)制器；其中該梳狀結(jié)構(gòu)的背部的中間形成光信號(hào)輸入端；該梳狀結(jié)構(gòu)的齒部的尾部形成光信號(hào)的輸出端。
文檔編號(hào)G06E1/04GK102147634SQ20101056451
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者冀瑞強(qiáng), 楊林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所