專利名稱：一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)譯碼器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，該器件特別適用于將來的光子計算機(jī)和光通信網(wǎng)絡(luò)中。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的計算機(jī)是由電子來傳遞和處理信息的。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，芯片上晶體管的尺寸越來越小，可集成的晶體管數(shù)目越來越多。這樣，CPU可以獲得更高的主頻， 但是，更高主頻帶來的最嚴(yán)重問題是功耗急劇上升，而且漏電與散熱問題無法解決。從發(fā)展高速率計算機(jī)來說，采用電子做輸運信息載體已不能滿足人們對計算機(jī)更快的處理速度的要求，提高計算機(jī)運算速度也明顯表現(xiàn)出能力有限了。這也就是說用集成電路方式實現(xiàn)的微處理器的發(fā)展，已經(jīng)難以繼續(xù)沿著摩爾定律指出的路線走下去。而光子計算機(jī)以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導(dǎo)線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算， 利用激光來傳送信號，并由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件等構(gòu)成集成光路，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、 傳輸和存儲，從而光子計算機(jī)表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，引起了越來越多的科研人員的注意。在光子計算機(jī)中，用光學(xué)方式實現(xiàn)信息處理的最大優(yōu)點是并行性高，數(shù)據(jù)吞吐量大一這是由光的物理屬性決定的。光子計算機(jī)可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。光子計算機(jī)將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。光學(xué)譯碼器是光子計算機(jī)中必不可少的元件，它將代表不同地址的代碼譯成相應(yīng)的光學(xué)片選信號。傳統(tǒng)的中規(guī)模集成電路譯碼器一般是采用門電路結(jié)構(gòu)(如3-8線譯碼器)，這種傳統(tǒng)的譯碼器由于是用多個門電路級聯(lián)而成，其在功耗、延時、體積等方面都存在很大的弊端。本發(fā)明提出的光學(xué)譯碼器工作時每個微環(huán)諧振器相當(dāng)于一個選擇開關(guān)，功耗相對較低。在延時方面，光學(xué)譯碼器所有的輸入都是并行的，每一個輸入元素相互獨立，最終結(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(xué)譯碼器結(jié)構(gòu)簡單而且可以采用現(xiàn)代的工藝技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模集成化生產(chǎn)，從而使其集成密度很高， 單個器件的體積較小。基于集成光學(xué)的譯碼器易于實現(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光子計算機(jī)中的高性能處理單元中發(fā)揮著重要作用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，以解決傳統(tǒng)電學(xué)譯碼器中的速度瓶頸、功耗、門延時以及由門延時而帶來的競爭與冒險等問題，以期望在將來的光子計算機(jī)及光計算中發(fā)揮重要作用的目的，并利用現(xiàn)代的工藝技術(shù)以保持器件的小體積、低功耗及低成本。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，該光學(xué)譯碼器由兩個不同結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器實現(xiàn)，其中輸入是兩個待譯碼的電信號和一個處于工作波長處的連續(xù)光信號，輸出的結(jié)果是對電學(xué)信號譯碼后的光信號。上述方案中，該光學(xué)譯碼器采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)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(fù)雜。上述方案中，所述微環(huán)諧振器包括兩種不同結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器第一種，由兩個相互平行的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的微環(huán)諧振器；第二種，由三個互不交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的具有三個耦合區(qū)的微環(huán)諧振器，這兩種結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器中的環(huán)形波導(dǎo)和相應(yīng)的直波導(dǎo)之間都有一預(yù)定的耦合距離。這種結(jié)構(gòu)沒有波導(dǎo)交叉出現(xiàn)從而避免了信號間的串?dāng)_，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(fù)雜的功能。上述方案中，該光學(xué)譯碼器實現(xiàn)電信號到光信號的譯碼過程是器件有一個端口輸入特定波長的連續(xù)激光(該波長成為工作波長)，假定兩個微環(huán)都是加高電平(邏輯 ‘1’)時微環(huán)諧振器處于諧振狀態(tài)，連續(xù)光波被微環(huán)諧振器下載，光波在下載端輸出；兩個微環(huán)加低電平(邏輯‘0’)時微環(huán)諧振器不諧振，光波在直通端輸出。這樣我們就在器件的四個光信號輸出端得到一個與加在兩個微環(huán)上的調(diào)制電信號序列相對應(yīng)的光信號序列，電信號序列有四種不同的狀態(tài)(由于是兩個電信號，分別用‘0’和‘1’表示電信號的高低電平，則二位電信號共有四種不同的狀態(tài)即00，01，10，11)輸出的光信號也有四種不同的狀態(tài)與之一一對應(yīng)(光學(xué)輸出端有光輸出用邏輯‘1’表示，無光輸出用邏輯‘0’表示，則在光學(xué)輸出端共有四種不同的狀態(tài)分別是1000，0100，0010，0001)從而完成了電學(xué)信號到光學(xué)信號的譯碼功能，這也正是本發(fā)明的目的所在。上述方案中，待譯碼的兩個電信號序列(分別加在兩個微環(huán)上的電信號)在時間上需要精確對齊，即在時間上精確同步。在高速工作模式下，需要對電極進(jìn)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，所述光信號序列可以在光纖中傳輸直接進(jìn)入下一級進(jìn)行處理。(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(xué)譯碼器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電學(xué)譯碼器，從而可以實現(xiàn)高速大容量的信息處理。利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成，以期望本發(fā)明在光子計算機(jī)中發(fā)揮重要的作用。


圖1為兩個相互平行的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)(MRR)，我們稱之為平行環(huán)微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。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(3)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(2)輸出。圖2為三個互不交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的一個具有三個耦合區(qū)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)(MRR)，我們稱之為三個耦合區(qū)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。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(3)和下載端(4)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(2)輸出。圖3為用來對MRR進(jìn)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(dǎo)的群折射率從而改變MRR的諧振波長，實現(xiàn)動態(tài)濾波。圖4為基于微環(huán)諧振器的二位 光學(xué)譯碼器的結(jié)構(gòu)示意圖，端口 1為連續(xù)光信號的輸入端，Yl, Y2，Y3，Y4分別為光信號的輸出端，待譯碼的兩個電信號加在兩個微環(huán)上。
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(jìn)一步詳細(xì)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(dǎo)制作。該光學(xué)譯碼器由兩個不同結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器構(gòu)成，它有兩個待譯碼的電信號輸入和一個處于工作波長的連續(xù)光輸入，輸出是對兩個電信號序列進(jìn)行譯碼后的光信號序列。輸出的光信號可以在光纖中傳輸直接進(jìn)入下一級的信息處理。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(xué)譯碼器是基于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(kuò)展性好， 便于與電學(xué)元件集成。本發(fā)明提出的硅基集成化光學(xué)譯碼器之所以具有這些優(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(Silicon-On-Insulator， S0I)材料。SOI是指在SiO2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(dǎo)，其芯層是Si (折射率為3. 45)，包層是SiO2(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(dǎo)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(dǎo)的彎曲半徑達(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)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(fù)用器、光學(xué)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(dǎo)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和圖2所示的微環(huán)諧振器(MRR)是本發(fā)明的基本單元。這兩種MRR結(jié)構(gòu)中沒有波導(dǎo)交叉出現(xiàn)，從而減少了因波導(dǎo)交叉而帶的損耗和串?dāng)_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(dǎo)稱為a，3、4端口之間的直波導(dǎo)稱為b)假定信號光從輸入端1輸入，當(dāng)信號光經(jīng)過耦合區(qū)(在直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)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(jìn)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。對于圖2三個耦合區(qū)結(jié)構(gòu)的MRR和圖1的工作原理是一樣的，只是在微環(huán)諧振器諧振時，圖2的MRR的兩個下載端3和4都有光輸出，其輸出的光功率之比可以通過環(huán)形波導(dǎo)和直波導(dǎo)的耦合距離來確定，從理論上講，這個結(jié)構(gòu)在微環(huán)諧振器諧振狀態(tài)時相當(dāng)于一個1X2的功率分束器，在微環(huán)諧振器不諧振時，光信號直 接通過耦合區(qū)在直通端2輸出。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(fù)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(dǎo)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(jìn)行調(diào)節(jié)。所以只能通過調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)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(dǎo)上通過MOCVD淀積一層金屬作為加熱熱極，然后對熱極兩端加電壓)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(dǎo)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3所示為MRR的熱調(diào)制機(jī)構(gòu)，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng發(fā)生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。當(dāng)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4是基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器的結(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，則調(diào)制電壓為高電平時，光信號將從下載端輸出，調(diào)制電壓為低電平時，光信號將從直通端輸出。高電平用邏輯‘ 1’表示，低電平用邏輯‘0’表示，對于光信號有光輸出用邏輯‘1’表示，無光輸出用邏輯‘0’表示。第一個微環(huán)用Rl表示，第二個微環(huán)用R2表示(器件結(jié)構(gòu)示意圖上已標(biāo)出)。經(jīng)過以上定義， 由器件的結(jié)構(gòu)示意圖可以得到對于兩個電學(xué)信號的四種不同組合狀態(tài)(00，01，10，11)有四種不同的光學(xué)組合(1000，0100，0010，0001)狀態(tài)與之一一對應(yīng)。原理如下當(dāng)電學(xué)信號為00時(第一個邏輯值表示加在Rl上的電平，第二個邏輯值表示加在R2上的電平)兩個微環(huán)諧振器都不諧振，光信號將從示意圖中的Yl端口輸出，其他三個端口無光輸出，所以光信號輸出端口的組合狀態(tài)是1000，這樣電學(xué)信號的00就由光學(xué)信號的1000來表示，也就是完成了一個二位電學(xué)信號的譯碼。對于其他三個狀態(tài)同理可得。這樣本發(fā)明就完成了二位電學(xué)信號的光學(xué)譯碼功能。其邏輯真值表如下
權(quán)利要求
1.一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，該光學(xué)譯碼器由兩個微環(huán)諧振器MRR和三個彎曲的納米線波導(dǎo)實現(xiàn)，其中輸入是兩個待譯碼的電信號和一個處于工作波長處的連續(xù)光信號，輸出的結(jié)果是對電學(xué)信號譯碼后的光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，該光學(xué)譯碼器采用絕緣體上的硅SOI材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，所述微環(huán)諧振器包括兩種不同結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器第一種，由兩個相互平行的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的平行環(huán)結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器；第二種，由三個互不交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的具有三個耦合區(qū)的微環(huán)諧振器，這兩種結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器中的環(huán)形波導(dǎo)和相應(yīng)的直波導(dǎo)之間都有一預(yù)定的耦合距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，該光學(xué)譯碼器中的兩個不同結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器之間有一預(yù)定的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，該光學(xué)譯碼器用于實現(xiàn)二位二進(jìn)制電學(xué)信號的光學(xué)譯碼，其譯碼的過程是器件有一個端口輸入特定工作波長的連續(xù)激光，待譯碼的兩個電信號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)，這兩個電信號共有四種不同的組合狀態(tài)(00，01 10 11)，在光學(xué)譯碼器的光信號輸出端得到與這四種不同組合狀態(tài)的電信號相對應(yīng)的光學(xué)譯碼，從而該器件就完成光學(xué)譯碼，其譯碼的結(jié)果以光的形式表現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，待譯碼的兩個電信號對各自的微環(huán)諧振器的作用方式由人為定義決定當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號為邏輯“0”時，微環(huán)諧振器在工作波長處不諧振，光信信號直通；當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號為邏輯“ 1，，時，微環(huán)諧振器在工作波長處諧振，光信號下路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，待譯碼的兩個電信號的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。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其特征在于，所述光信號在光纖中傳輸直接進(jìn)入下一級進(jìn)行光信息處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微環(huán)諧振器的二位光學(xué)譯碼器，其基本結(jié)構(gòu)為微環(huán)諧振器，采用硅基納米線波導(dǎo)制作。該光學(xué)譯碼器由兩個環(huán)形波導(dǎo)和三個彎曲波導(dǎo)構(gòu)成，它有兩個電信號和一個處于工作波長的連續(xù)光信號輸入，輸出是光信號。假定加在微環(huán)上的調(diào)制電壓為高電平時微環(huán)諧振器諧振，低電平時微環(huán)諧振器不諧振，則在光信號的輸出端可以得到二位電信號的光學(xué)譯碼，從而該器件就完成了二位光學(xué)譯碼器的功能。本發(fā)明的突出優(yōu)點是使用該器件可以完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換同時可以對電信號進(jìn)行光學(xué)譯碼。它利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，速度快，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成，在光子計算機(jī)及光通信網(wǎng)絡(luò)中有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號G06E1/00GK102156507SQ20101060700
公開日2011年8月17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(xué)院半導(dǎo)體研究所