CN102062988A - 基于并行双微环谐振器的光学逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，该光学逻辑门由两个并行的微环谐振器(MRR)和两条相互平行的纳米线波导实现，其两个输入是待计算的电脉冲序列，输出的计算结果是光脉冲序列。利用本发明解决了传统电学逻辑门中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险的问题，达到提高光信息处理与光计算中信息处理速度的目的，并保持器件的小体积、低功耗及低成本。

Description

基于并行双微环谐振器的光学逻辑门

技术领域

本发明涉及用于光信息处理与光计算技术领域，尤其涉及一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，特别地，该光学逻辑门用一种结构紧凑的硅基集成化微环谐振器实现逻辑运算功能。

背景技术

随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，人们日常生活中所面临的待处理的信息量大大增加，如：视频会议、可视电话、智能家居、物联网等。这样以来，传统的电子学的信息处理与计算无论是在功耗还是在速度方面都存在很大的弊端。光信息处理与光计算作为代替电信息处理与计算的最有效的途径之一，其越来越受到科研人员的重视，而作为光信息处理与光计算的最基本的构造单元之一的光学逻辑门也正逐渐成为科研人员的研究热点。

光学逻辑门是光信息处理与光计算中必不可少的元件。传统的布尔逻辑门是由三极管级联而成，如TTL与门，对于一个逻辑门需要驱动多个三极管，这样功耗相对较高，而光学逻辑门工作时相当于一个选择开关，功耗相对较低。在延时方面，传统的布尔逻辑门由于需要多个三极管，每经过一个三极管都要引入一个延时，这些延时最终会累加起来，从而会引入更大的延时，甚至会带来错误的运算结果，而光学逻辑门所有的输入都是并行的，每一个输入元素相互独立，最终运算的结果在光域中以光强的形式表示出来，这样带来的延时很小，可以忽略不计。光学逻辑门可以在一个端口得到运算的逻辑值另一端口得到逻辑值的非，这样一个器件可以得到两种运算结果。

历史上曾经有两次大规模的光逻辑与光计算的研究热潮。当时集成光学还未得到充分发展，体光学元件实现的光信息处理系统往往体积庞大而且可编程性极低，与集成度高、可编程性能优越的微电子技术相比优势非常少。时至今日，在光通信产业的推动下，借鉴微电子工艺实现的集成光学器件性能已经有了长足进步，能实现的功能越来越丰富，工作模式也越来越灵活。基于这些集成光学器件的光信息处理研究重新获得了重视。

美国康奈尔大学的Qianfan Xu等科研人员发表于2007年的“All-optical logic based on silicon micro-ring resonators”描述了他们利用硅基集成化的单个微环实现全光的与及与非的逻辑门方法。但是，该方法需要较强的光信号激励。

基于集成光学的逻辑单元易于实现大规模集成、功耗较低、体积小、延时小、速度快，在不久的将来可能在高速、高性能的处理器单元及在片上光互连中发挥着重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，以解决传统电学逻辑门中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险的问题，达到提高光信息处理与光计算中信息处理速度的目的，并保持器件的小体积、低功耗及低成本。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，该光学逻辑门由两个并行的微环谐振器和两条相互平行的纳米线波导实现，其两个输入是待计算的电脉冲序列，输出的计算结果是光脉冲序列。

上述方案中，该光学逻辑门采用绝缘体上的硅(SOI)材料制备，基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。在信号传输速率(兆量级以下)要求不高的情况下，一般采用热调制。热调制在工艺上易于实现。在高速(吉量级)传输系统需要采用电调制，但是，相比于热调制，电调制的工艺稍微复杂。

上述方案中，所述微环谐振器是由两条相互平行的直波导和一个环形波导构成的微环谐振器，该环形波导的外边缘同时与相互平行的两个直波导之间有一预定的耦合距离。这种结构没有波导交叉出现从而避免了信号间的串扰，提高了微环谐振器的性能，而且这种结构还有利于实现多个微环的级联以便实现更为复杂的逻辑功能。

上述方案中，该光学逻辑门中的两个微环之间有一预定的距离。

上述方案中，该光学逻辑门用于实现四种逻辑运算功能，该四种逻辑运算功能的实现过程是：器件有一个端口输入特定工作波长的连续激光，待运算得两个电脉冲序列分别作用于两个微环谐振器；定义电信号是高电平时，微环谐振器处于谐振状态，电信号是低电平时，微环谐振器处于非谐振状态，则在光学逻辑门的下载端就能得到两个电脉冲序列的‘或’运算的光脉冲序列，直通端就能得到‘或非’运算的光脉冲序列。该逻辑值都是在光域中以光强的形式所表示。如果我们在输出端口加入光电探测器就可以得到运算的结果。运算的结果是以光波的形式所表示，该结果当然可以直接在光纤中传输从而直接进入下一级进行处理。

上述方案中，定义电信号是高电平时，微环谐振器处于非谐振状态，电信号是低电平时，微环谐振器处于谐振状态，则在光学逻辑门的下载端就能得到两个电脉冲序列的‘与非’运算，直通端就能得到‘与’运算。

上述方案中，该光学逻辑门同时实现逻辑‘与’和逻辑‘与非’的过程与实现逻辑‘或’和逻辑‘或非’的过程是基本一样的。只是我们对微环的谐振状态采用了不同的定义而已。对微环的谐振状态定义如下：假定加在微环上的电压为低电平(逻辑‘0‘)时微环谐振器处于谐振状态(反向定义)，加在微环上的电压为高电平时微环谐振器处于非谐振状态，这样我们就在器件的下载端得到了加在两个微环上的两个电脉冲的逻辑‘与非’，而在器件的直通端就得到了两个电脉冲的逻辑‘与’。该逻辑值都是在光域中以光强的形式所表示。如果我们在输出端口加入光电探测器就可以得到运算的结果。运算的结果是以光波的形式所表示，该结果当然可以直接在光纤中传输从而直接进入下一级进行处理。

上述方案中，待运算的两个电脉冲序列对各自的微环谐振器的作用方式由人为定义决定，这里有两种定义：一、当电脉冲序列中出现逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信信号直通；当电脉冲序列中出现逻辑“1”时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号下路；二、当电脉冲序列中出现逻辑“1”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信信号直通；当电脉冲序列中出现逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号下路。

上述方案中，待运算的两个电脉冲序列的各个逻辑值在时间上要精确对齐，即各个逻辑值在时间上精确同步。在高速工作模式下，需要对电极进行特殊的设计及电磁兼容方面的分析与模拟。

上述方案中，所述光脉冲序列能够直接进入下一级进行运算，或者在输出端接入光电探测器从而直接读出计算结果。

(三)有益效果

本发明的突出优点是：利用了光的自然特性实现的光学逻辑门代替传统的电学逻辑门，从而可以实现高速大容量的并行计算。利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成。这使得本发明在光信息处理和光计算网络中具有很好的应用前景。

附图说明

图1为两个相互平行的直波导和一个环形波导组成的微环谐振器结构(MRR)，对于在输入端(1)输入某些特定波长的信号光(满足谐振条件的信号光)，该信号光会被微环谐振器下载从而在下载端(3)输出，对于其他的信号光(不满足谐振条件的信号光)会毫无影响的在直通端(2)输出。

图2为用来对MRR进行调谐的电极结构，在电极上施加电压，通过产生热量或者改变材料中的载流子浓度来改变环形波导的群折射率从而改变MRR的谐振波长，实现动态滤波；

图3为两个并行的MRR实现逻辑‘或’和‘或非’运算的工作原理示意图，这里有两个电脉冲输入X和Y，两个光脉冲输出Y1和Y2，其中Y1是X和Y的逐比特的‘或’运算，Y2是X和Y的逐比特的‘或非’运算。

图4为两个并行的MRR实现逻辑‘与’和‘与非’运算的工作原理示意图，这里有两个电脉冲输入X和Y，两个光脉冲输出Y1和Y2，其中Y1是X和Y的逐比特的‘与非’运算，Y2是X和Y的逐比特的‘与’运算。

图5为接收端使用本发明所得到的信号码形图，其中图(a)和(b)表示两个待运算的电脉冲，图(c)表示光电探测器得到的两个电脉冲的‘或’运算的结果；

图6为接收端使用本发明所得到的信号码形图，其中图(a)和(b)表示两个待运算的电脉冲，图(c)表示光电探测器得到的两个电脉冲的‘或非’运算的结果；

图7为接收端使用本发明所得到的信号码形图，其中图(a)和(b)表示两个待运算的电脉冲，图(c)表示光电探测器得到的两个电脉冲的‘与’运算的结果；

图8为接收端使用本发明所得到的信号码形图，其中图(a)和(b)表示两个待运算的电脉冲，图(c)表示光电探测器得到的两个电脉冲的‘与非’运算的结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的基本结构为微环谐振器，采用硅基集成纳米线波导制作。该光学逻辑门由两个相互平行的直波导和两个微环构成，它有两个待计算的电脉冲输入和一个处于工作波长的连续光输入，输出是携带了两个电脉冲计算结果的光脉冲。输出的光脉冲可以在光纤中传输直接进入下一级的信息处理，当然，如果在输出端接入光电探测器则就可以得到携带计算结果的电脉冲，从其脉冲图中可以直接读出计算结果。

本发明是基于硅基集成化的微环谐振器结构，可以采用SOI、SIN、III-V族材料实现。本发明提出的光学逻辑门是基于SOI材料实现的，其突出的优点是；工艺方面与CMOS工艺是兼容的，从而可以利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成。本发明提出的硅基集成化光学逻辑门之所以具有这些优点，与它所采用的材料属性及器件工作原理关系密切。

首先，在材料方面，本发明采用的是绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon-On-Insulator)材料。SOI是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si(折射率为3.45)，包层是SiO2(折射率为1.44)，这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小(目前已有基于SOI材料弯曲波导的弯曲半径达到1.5微米的报道)，从而使器件的面积很小，在一块芯片上可以制作出多个器件。传统波导器件(如LiNbO₃)的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占用了芯片面积，一块芯片上通常只能放下一个器件。

其次，在器件方面，本发明的基本单元为基于硅基纳米线波导的微环谐振器，它是一种功能多样，性能优越，近年来被广泛研究的集成光学元件。图1为平行结构的微环谐振器的结构图，它由两个相互平行的直波导和一个环形波导组成。利用微环谐振器结构可以实现光缓存、光调制器、光滤波器、光分插复用器、光学逻辑门等很多光信息处理与光通信所用的功能部件。由于环形波导的半径可以小至1.5微米，其器件结构非常紧凑，可以实现器件高密度集成，减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。

如图1所示的微环谐振器(MRR)是本发明的基本单元。该MRR是由两个相互平行的直波导和一个环形波导构成，整个结构中没有波导交叉出现，从而减少了因交叉而带的损耗和串扰问题。

下面通过分析光信号在图1所示的MRR中的传输过程，简要说明其工作原理(1、2端口之间的直波导称为a，3、4端口之间的直波导称为b)：

假定信号光从输入端1输入，当信号光经过耦合区(在直波导和弯曲波导距离最近处的一个范围)时，信号光通过倏逝场耦合作用会耦合进入微环中，对于满足谐振条件(m×λ＝N_g×2π×R)的信号光会被微环谐振器下载，信号光从下载端3输出，对于不满足谐振条件的信号光将会毫无影响的通过耦合区在直通端2输出。对于端口4我们称之为上载端，该微环谐振器是一个对称结构，所以如果信号光从上载端4输入，其原理是与信号光从输入端1输入是一样的，这里不再重述。

上面分析的是MRR的静态工作特性，即MRR会固定地使某些波长信号下路(满足谐振条件的波长)，某些波长信号直通(不满足谐振条件的波长)。实际工作时，需要MRR谐振波长动态可调(即动态滤波)以实现更加复杂的功能。通过上面的谐振条件公式(m×λ＝N_g×2π×R)可以看到，要调节谐振波长以实现动态滤波，可以改变的物理量有环形波导的半径R及其群折射率N_g。前者在工艺完成之后就确定下来，无法进行调节。所以只能通过调节环形波导的群折射率N_g，来改变MRR的谐振波长。群折射率与材料的折射率有关，随材料的折射率变化而变化。我们可以采取两种方法来改变材料的折射率从而改变材料的群折射率：一是通过对材料加热(具体办法是在硅波导上通过MOCVD淀积一层金属作为加热热极)改变材料的温度从而改变材料的折射率也即是所谓的热光效应。二是通过载流子注入来改变材料的折射率(电光效应)。一般在高速系统中采用电光效应。本发明主要是利用热光效应来说明器件的工作原理。我们通过热极对硅波导加热来改变材料的折射率从而可以动态选择需要下载的光信号及需要直通的光信号，使得光信号可以在动态控制下在下载端输出或者在直通端输出。

图2所示为MRR的热调制机构，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的温度发生变化，环形波导的群折射率N_g发生变化，MRR的谐振波长λ随之变化。当然，也可以通过电光效应实现MRR的调谐，电光调谐适于对调制速率要求高的场合。

图3是使用两个并行MRR实现逻辑‘或’和‘或非’运算的结构示意图。在光信号输入端1输入处于工作波长的连续信号光(CW)，然后分别对两个微环加上调制电压对微环加热从而改变微环的谐振波长。假如微环在调制电压为高电平时谐振(正向定义)，则调制电压为高电平时，信号光将从下载端Y1输出，当调制电压为低电平时信号光将从直通端Y2输出。并假设加在第一个微环上的调制电压脉冲为X，加在第二个微环上的调制电压脉冲为Y。由结构示意图可知，当X＝1时(第一个微环加高电平)，无论Y取何值信号光都将从下载端Y1输出而直通端Y2无信号光输出，同理当Y＝1时(第二个微环加高电平)，无论X取何值信号光也将会从下载端Y1输出而直通端Y2无信号光输出。这也就是说只要两个微环所加的电压脉冲有一个是高电平(也就是说X和Y只要有一个为逻辑1)信号光将从下载端Y1输出，当且仅当两个微环所加的电压脉冲同时为低电平时(也就是说X和Y同时为逻辑0)信号光才会从直通端Y2输出。把有信号光输出用逻辑1表示，无信号光输出用逻辑0表示，这样器件就在下载端Y1完成了两个电脉冲X和Y的逻辑‘或’运算而在直通端Y2完成了两个电脉冲X和Y的逻辑‘或非’运算，其真值表如下：

X	Y	Y1	Y2
				0	0	0	1
0	1	1	0
				1	0	1	0
1	1	1	0

逻辑表达式为： $Y_1=\stackrel{\‾}{X}\stackrel{\‾}{Y}=\stackrel{\‾}{X+Y}$

Y₂＝X+Y

图4是使用两个并行的MRR实现逻辑‘与’和‘与非’运算的结构示意图。基本原理和上述情况是一样的，只是在定义微环谐振状态时不一样。这里定义加在两个微环上的调制电压为低电平时微环处于谐振状态(反向定义)，加在两微环上的电脉冲依然用X和Y表示，根据以上定义则只要加在两个微环上的调制电压有一个是低电平(即X和Y只要有一个为0)信号光将会从下载端Y1输出，当且仅当加在两个微环上的调制电压都为高电平时(当且仅当X＝Y＝0时)信号光将会从直通端Y2输出。把有信号光输出用逻辑1表示，无信号光输出用逻辑0表示，这样器件就在下载端Y1完成了两个电脉冲X和Y的逻辑‘与非’运算而在直通端Y2完成了两个电脉冲X和Y的逻辑‘与’运算，其真值表如下：

X	Y	Y1	Y2
				0	0	1	0
0	1	1	0
				1	0	1	0
1	1	0	1

逻辑表达式为： $Y_1=\stackrel{\‾}{X}+\stackrel{\‾}{Y}=\stackrel{\‾}{XY}$

Y₂＝XY

上面结合图3和图4说明了如何利用两个并行的MRR实现两个逻辑变量的‘或’，‘或非’，‘与’，‘与非’运算。图5，6，7，8分别是四种逻辑运算的码形图，从码形图上我们可以更清晰的看到本发明所具有的四种逻辑运算功能。

需要说明的是：在器件工作过程中，待计算的两个电脉冲序列在时间上必须精确同步。在高速系统中，需要通过特殊的电极设计、特殊的布局布线及电磁兼容分析来达到同步要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，该光学逻辑门由两个并行的微环谐振器和两条相互平行的纳米线波导实现，其两个输入是待计算的电脉冲序列，输出的计算结果是光脉冲序列。

2.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，该光学逻辑门采用绝缘体上的硅SOI材料制备，基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。

3.根据权利要求2所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，所述微环谐振器是由两条相互平行的直波导和一个环形波导构成的微环谐振器，该环形波导的外边缘同时与相互平行的两个直波导之间有一预定的耦合距离。

4.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，该光学逻辑门中的两个微环之间有一预定的距离。

5.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，该光学逻辑门用于实现四种逻辑运算功能，该四种逻辑运算功能的实现过程是：器件有一个端口输入特定工作波长的连续激光，待运算得两个电脉冲序列分别作用于两个微环谐振器；定义电信号是高电平时，微环谐振器处于谐振状态，电信号是低电平时，微环谐振器处于非谐振状态，则在光学逻辑门的下载端就能得到两个电脉冲序列的‘或’运算的光脉冲序列，直通端就能得到‘或非’运算的光脉冲序列。

6.根据权利要求5所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其 特征在于，定义电信号是高电平时，微环谐振器处于非谐振状态，电信号是低电平时，微环谐振器处于谐振状态，则在光学逻辑门的下载端就能得到两个电脉冲序列的‘与非’运算，直通端就能得到‘与’运算。

7.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，待运算的两个电脉冲序列对各自的微环谐振器的作用方式由人为定义决定，这里有两种定义：一、当电脉冲序列中出现逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号直通；当电脉冲序列中出现逻辑“1”时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号下路；二、当电脉冲序列中出现逻辑“1”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号直通；当电脉冲序列中出现逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号下路。

8.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，待运算的两个电脉冲序列的各个逻辑值在时间上要精确对齐，即各个逻辑值在时间上精确同步。

9.根据权利要求1所述的基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，其特征在于，所述光脉冲序列能够直接进入下一级进行运算，或者在输出端接入光电探测器从而直接读出计算结果。

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