CN102156507B

CN102156507B - 一种基于微环谐振器的二位光学译码器

Info

Publication number: CN102156507B
Application number: CN 201010607004
Authority: CN
Inventors: 田永辉; 杨林
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: CN102156507A

Abstract

本发明公开了一种基于微环谐振器的二位光学译码器，其基本结构为微环谐振器，采用硅基纳米线波导制作。该光学译码器由两个环形波导和三个弯曲波导构成，它有两个电信号和一个处于工作波长的连续光信号输入，输出是光信号。假定加在微环上的调制电压为高电平时微环谐振器谐振，低电平时微环谐振器不谐振，则在光信号的输出端可以得到二位电信号的光学译码，从而该器件就完成了二位光学译码器的功能。本发明的突出优点是：使用该器件可以完成电信号到光信号的转换同时可以对电信号进行光学译码。它利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗低，速度快，扩展性好，便于与电学元件集成，在光子计算机及光通信网络中有很好的应用前景。

Description

一种基于微环谐振器的二位光学译码器

技术领域

本发明涉及光学译码器技术领域，尤其涉及一种基于微环谐振器的二位光学译码器，该器件特别适用于将来的光子计算机和光通信网络中。

背景技术

现有的计算机是由电子来传递和处理信息的。随着半导体工艺技术的进步，芯片上晶体管的尺寸越来越小，可集成的晶体管数目越来越多。这样，CPU可以获得更高的主频，但是，更高主频带来的最严重问题是功耗急剧上升，而且漏电与散热问题无法解决。从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体已不能满足人们对计算机更快的处理速度的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。这也就是说用集成电路方式实现的微处理器的发展，已经难以继续沿着摩尔定律指出的路线走下去。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储，从而光子计算机表现出更优越的性能，引起了越来越多的科研人员的注意。在光子计算机中，用光学方式实现信息处理的最大优点是并行性高，数据吞吐量大——这是由光的物理属性决定的。光子计算机可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

光学译码器是光子计算机中必不可少的元件，它将代表不同地址的代码译成相应的光学片选信号。传统的中规模集成电路译码器一般是采用门电路结构(如3-8线译码器)，这种传统的译码器由于是用多个门电路级联而成，其在功耗、延时、体积等方面都存在很大的弊端。本发明提出的光学译码器工作时每个微环谐振器相当于一个选择开关，功耗相对较低。在延时方面，光学译码器所有的输入都是并行的，每一个输入元素相互独立，最终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。光学译码器结构简单而且可以采用现代的工艺技术进行大规模集成化生产，从而使其集成密度很高，单个器件的体积较小。

基于集成光学的译码器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光子计算机中的高性能处理单元中发挥着重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种基于微环谐振器的二位光学译码器，以解决传统电学译码器中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险等问题，以期望在将来的光子计算机及光计算中发挥重要作用的目的，并利用现代的工艺技术以保持器件的小体积、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微环谐振器的二位光学译码器，该光学译码器由两个不同结构的微环谐振器实现，其中输入是两个待译码的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号译码后的光信号。

上述方案中，该光学译码器采用绝缘体上硅材料制备，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，所述微环谐振器包括两种不同结构的微环谐振器：第一种，由两个相互平行的直波导和一个环形波导构成的微环谐振器；第二种，由三个互不交叉的直波导和一个环形波导构成的具有三个耦合区的微环谐振器，这两种结构的微环谐振器中的环形波导和相应的直波导之间都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功能。

上述方案中，该光学译码器实现电信号到光信号的译码过程是：器件有一个端口输入特定波长的连续激光(该波长成为工作波长)，假定两个微环都是加高电平(逻辑‘1’)时微环谐振器处于谐振状态，连续光波被微环谐振器下载，光波在下载端输出；两个微环加低电平(逻辑‘0’)时微环谐振器不谐振，光波在直通端输出。这样我们就在器件的四个光信号输出端得到一个与加在两个微环上的调制电信号序列相对应的光信号序列，电信号序列有四种不同的状态(由于是两个电信号，分别用‘0’和‘1’表示电信号的高低电平，则二位电信号共有四种不同的状态即00，01，10，11)输出的光信号也有四种不同的状态与之一一对应(光学输出端有光输出用逻辑‘1’表示，无光输出用逻辑‘0’表示，则在光学输出端共有四种不同的状态分别是1000，0100，0010，0001)从而完成了电学信号到光学信号的译码功能，这也正是本发明的目的所在。

上述方案中，待译码的两个电信号序列(分别加在两个微环上的电信号)在时间上需要精确对齐，即在时间上精确同步。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，所述光信号序列可以在光纤中传输直接进入下一级进行处理。

(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译码器代替传统的电学译码器，从而可以实现高速大容量的信息处理。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，以期望本发明在光子计算机中发挥重要的作用。

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)，我们称之为平行环微环谐振器结构。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为三个互不交叉的直波导和一个环形波导构成的一个具有三个耦合区的微环谐振器结构(MRR)，我们称之为三个耦合区的微环谐振器结构。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)和下载端(4)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3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4为基于微环谐振器的二位光学译码器的结构示意图，端口1为连续光信号的输入端，Y1，Y2，Y3，Y4分别为光信号的输出端，待译码的两个电信号加在两个微环上。

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。该光学译码器由两个不同结构的微环谐振器构成，它有两个待译码的电信号输入和一个处于工作波长的连续光输入，输出是对两个电信号序列进行译码后的光信号序列。输出的光信号可以在光纤中传输直接进入下一级的信息处理。

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。本发明提出的光学译码器是基于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译码器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(Silicon-On-Insulator，SOI)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和图2所示的微环谐振器(MRR)是本发明的基本单元。这两种MRR结构中没有波导交叉出现，从而减少了因波导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。对于图2三个耦合区结构的MRR和图1的工作原理是一样的，只是在微环谐振器谐振时，图2的MRR的两个下载端3和4都有光输出，其输出的光功率之比可以通过环形波导和直波导的耦合距离来确定，从理论上讲，这个结构在微环谐振器谐振状态时相当于一个1×2的功率分束器，在微环谐振器不谐振时，光信号直接通过耦合区在直通端2输出。

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，然后对热极两端加电压)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3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4是基于微环谐振器的二位光学译码器的结构示意图。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，则调制电压为高电平时，光信号将从下载端输出，调制电压为低电平时，光信号将从直通端输出。高电平用逻辑‘1’表示，低电平用逻辑‘0’表示，对于光信号：有光输出用逻辑‘1’表示，无光输出用逻辑‘0’表示。第一个微环用R1表示，第二个微环用R2表示(器件结构示意图上已标出)。经过以上定义，由器件的结构示意图可以得到：对于两个电学信号的四种不同组合状态(00，01，10，11)有四种不同的光学组合(1000，0100，0010，0001)状态与之一一对应。原理如下：当电学信号为00时(第一个逻辑值表示加在R1上的电平，第二个逻辑值表示加在R2上的电平)两个微环谐振器都不谐振，光信号将从示意图中的Y1端口输出，其他三个端口无光输出，所以光信号输出端口的组合状态是1000，这样电学信号的00就由光学信号的1000来表示，也就是完成了一个二位电学信号的译码。对于其他三个状态同理可得。这样本发明就完成了二位电学信号的光学译码功能。其逻辑真值表如下：

I1	I2	Y1	Y2	Y3	Y4
						0	0	1	0	0	0
0	1	0	1	0	0
						1	0	0	0	1	0
1	1	0	0	0	1

上面结合图4说明了如何利用基于微环谐振器的二位光学译码器完成二位电学信号的光学译码。从上面的真值表，我们可以更清晰的看到本发明所具有的二位电学信号的光学译码功能。

需要说明的是：在器件工作过程中，待译码的两个电学信号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

1.一种基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，该光学译码器由两个微环谐振器MRR和三个弯曲的纳米线波导实现，其中输入是两个待译码的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号译码后的光信号；

其中，第一微环谐振器是由两个相互平行的直波导和位于上述两个直波导之间的一个环形波导构成的微环谐振器，第二微环谐振器是由三个互不交叉的直波导和一个位于上述三个互不交叉的直波导之间的环形波导构成的具有三个耦合区的微环谐振器，上述第一微环谐振器与第二微环谐振器之间有一预定的距离；光学译码器的一个端口输入特定工作波长的连续激光，待译码的两个电信号分别作用于两个微环谐振器，当电信号是高电平时，其对应的微环谐振器处于谐振状态，当电信号是低电平时，其对应的微环谐振器处于非谐振状态；这两个电信号共有四种不同的组合状态，分别是：00，01，10，11，在光学译码器的光信号输出端得到与这四种不同组合状态的电信号相对应的光学译码，其译码的结果以光的形式表现。

2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，该光学译码器采用绝缘体上的硅SOI材料制备，热调制机构或电调制机构的微环谐振器作为基本的功能单元，这些基本功能单元通过合适的级联构成二位光学译码器。

3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，该光学译码器中的两个不同结构的微环谐振器之间有一预定的距离。

4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，该光学译码器用于实现二位二进制电学信号的光学译码，其译码的过程是：光学译码器有一个端口输入特定工作波长的连续激光，待译码的两个电信号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，这两个电信号共有四种不同的组合状态00，01，10，11，在光学译码器的光信号输出端得到与这四种不同组合状态的电信号相对应的光学译码，从而该光学译码器就完成光学译码，其译码的结果以光的形式表现。

5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，待译码的两个电信号对各自的微环谐振器的作用方式由人为定义决定：当加在微环上的调制电信号为逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号直通；当加在微环上的调制电信号为逻辑“1”时，微环谐振器在工作波长处谐振，光信号下路。

6.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，待译码的两个电信号的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。

7.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的二位光学译码器，其特征在于，所述光信号在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。