CN102520904B

CN102520904B - 基于微环谐振器的二进制光学加法器

Info

Publication number: CN102520904B
Application number: CN201110445957.3A
Authority: CN
Inventors: 田永辉; 杨林
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102520904A

Abstract

本发明公开了一种基于微环谐振器的二进制光学加法器。该二进制光学加法器由两个不同结构的微环谐振器和一个Y型分支耦合器构成，它有两个待计算的电脉冲序列输入，输出是两个光脉冲序列。本发明二进制光学加法器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，有望在将来的光子计算机中发挥重要作用。

Description

基于微环谐振器的二进制光学加法器

技术领域

本发明涉及光学行业光计算领域，尤其涉及一种基于微环谐振器的二进制光学加法器。

背景技术

计算机在人们的日常生活、医疗卫生、国防安全、环境监测等各行各业中都起到了非常关键的作用。近年来，计算机技术的发展大大提高了人们的生活水平，极大地促进了科技的进步，正是因为此，人们对计算机的依赖越来越强，对计算机性能的要求越来越高。同时，拥有高性能的计算机也成了一个国家科技实力的象征，所以寻求发展更高性能的计算机技术正成为科研人员的研究热点。

随着半导体技术的不断发展，芯片上的器件越来越小，单片集成度也就越来越高，这样计算机中的CPU可以获得更高的主频从而大大提高了计算机的运算速度，从1946年第一台电子计算机的运算速度只有几千次每秒到现在的高性能计算机的百万亿次每秒，可以说计算机的性能得到了质的飞跃。计算机主频的提高带来的最大的问题就是功耗急剧上升以及由此带来的散热和漏电问题。由此可见，按照集成电路的发展模式来提高计算机的性能已很难按照摩尔定律所指定的路线发展。正是针对这一问题，科学家们从很早就开始着眼于基于新的平台及新的物理机理来提高计算机的性能，其中包括光子计算机、量子计算机等。当然基于这些概念的新型计算机或许在短期内难以实现实用化，但是一些关键的功能单元的研制却显得非常重要，或许这些功能单元在不久的将来能够极大的促进这些新型高性能计算机的发展。

计算机中的运算都是基于二进制数的运算，二进制数运算包括‘加’、‘减’、‘乘’、‘除’四种，而‘减’、‘乘’、‘除’都可以化作为加法来做运算。事实上很多数字信号处理及单片机中的运算单元都是只用到加法器来做运算的，由此可见研制出一款高速的加法器对于提高计算机的计算速度显得由为重要。二进制光学加法器有望在不久的将来能成为光子计算机重要的功能性单元。

目前出现的光学加法器主要是基于非线性光学原理，例如由基于周期极化铌酸锂波导(PPLN)和半导体光放大器(SOA)结构的全光光学加法器。然而基于这种技术的光学加法器在工作时需要一束高强度的激光作为泵浦光，这就对工作条件提出了很高的要求，不便于实际运算操作。而且基于这种技术的光学加法器，在制作工艺方面是不能与当前的CMOS工艺兼容，不便于集成和大规模生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种基于微环谐振器的二进制光学加法器，以降低工作条件的限制，简化制作工艺，使其与当前CMOS工艺兼容。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种二进制光学加法器。该光学加法器包括：第一微环谐振器，具有两个耦合区：其第一输入端，用于输入预设波长的激光；其第二直通端，用于当第一微环谐振器不满足谐振条件时，输出从第一输入端输入的激光；其第三下载端，用于当第一微环谐振器满足谐振条件时，输出从第一输入端输入的激光；第二微环谐振器，具有三个耦合区：其第一输入端，与第一微环谐振器的第三下载端相连通；其第二输入端，与第一微环谐振器的第二直通端相连接；其第五直通端，用于当第二微环谐振器不满足谐振条件时，输出从第一输入端或第二输入端输入的激光；第三下载端，用于当第二微环谐振器满足谐振条件时，输出从第一输入端或第二输入端输入的激光；第四直通端，作为二进制光学加法器的第一输出端；第一调制机构，位于第一微环谐振器的上部，用于利用输入的待运算的第一电脉冲信号调制第一微环谐振器满足或不满足谐振条件；第二调制机构，位于第二微环谐振器的上部，用于利用输入的待运算的第二电脉冲信号调制第二微环谐振器满足或不满足谐振条件；Y形分支耦合器，其两输入端分别与第二微环谐振器的第五直通端和第三下载端相连接，其输出端作为二进制光学加法器的第二输出端。

(三)有益效果

本发明二进制光学加法器中的两个微环谐振器和Y形分支耦合器均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，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。

附图说明

图1为本发明实施例二进制光学加法器中第一微环谐振器的示意图；

图2为本发明实施例二进制光学加法器中第二微环谐振器的示意图；

图3为本发明实施例二进制光学加法器中热调制机构的示意图；

图4为本发明实施例二进制光学加法器中Y形分支耦合器的示意图；

图5为本发明实施例二进制光学加法器的光路结构示意图；

图6为本发明实施例二进制光学加法器中输入端和输出端的信号码形图。

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。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于值。

本发明提出的基于微环谐振器的一位二进制光学加法器就是利用光学的方式来实现两个一位二进制数的加法并大大提高运算的速度。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种二进制光学加法器。图5为本发明实施例二进制光学加法器的光路结构示意图。如图5所示，该二进制光学加法器包括：第一微环谐振器、第二微环谐振器、第一调制机构(未在图5中示出)、第二调制机构(未在图5中示出)和Y形分支耦合器。以下分别对各组成部分进行说明。

图1为本发明实施例二进制光学加法器中第一微环谐振器的示意图。如图1所示，第一微环谐振器包括：第一波导，呈直线形，其两端分别为第一微环谐振器的第一输入端【Input(1)】和第二直通端【Through(2)】；第二波导，呈直线形，位于第一波导的一侧，与第一波导垂直且不相交；其远离第一波导的一端为第一微环谐振器的第三下载端【Drop(3)】；第一环形波导，呈环形，位于第一调制机构的下方，与第一直波导和第二直波导相邻，用于当其折射率满足其谐振条件时，将第一微环谐振器的第一输入端【Input(1)】输入的信号光耦合至第一微环谐振器的第三下载端【Drop(3)】输出。此外，

从光路构造上来讲，对于图1所示的第一微环谐振器，假定信号光从第一输入端【Input(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环形波导中，环形波导中的信号光也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第二直波导中，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，信号光从第三下载端【Drop(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第二直通端【Through(2)】输出。

对于如图1所示的第一波导，第二波导和一个环形波导组成的微环谐振器结构(MRR)，称之为两个耦合区的微环谐振器。对于在第一输入端【Input(1)】输入预设波长的激光(满足谐振条件的激光光)，该激光会被微环谐振器下载从而在第三下载端【Drop(3)】输出，对于其他波长的激光(不满足谐振条件的激光)会毫无影响的在第二直通端【Through(2)】输出。

图2为本发明实施例二进制光学加法器中第二微环谐振器的示意图。如图2所示，第二微环谐振器包括：第三波导，呈反“L”形，其两端分别为第二微环谐振器第一输入端【Input(1)】和第五直通端【Through(5)】；第四波导，呈倒“L”形，与第三直波导相对且不相交，其两端为第二微环谐振器的第二输入端【Input(2)】和第四直通端【Through(4)】；第五波导，呈直线形，位于第四波导的一侧，与第四波导的一边垂直且不相交；其远离第四波导的一端为第二微环谐振器的第三下载端【Drop(3)】；第二环形波导，呈环形，位于第二调制机构的下方，第四波导的一侧，第五波导与第三波导的一边之间，用于当其折射率满足其谐振条件时，将从第二微环谐振器的第一输入端或第二输入端输入的信号光耦合至第二微环谐振器的第三下载端【Drop(3)】输出。第二微环谐振器中，第一输入端【Input(1)】，与第一微环谐振器的第三下载端相连通；第二输入端【Input(2)】，与第一微环谐振器的第二直通端相连接。

对于如图2所示的由三个互不交叉的直波导和一个环形波导组成的三个耦合区的微环谐振器，此结构称为三个耦合区的微环谐振器用以区分两个耦合区结构的微环谐振器，其工作原理和两个耦合区结构的微环谐振器是一样的，只是多了一个直波导耦合。在器件实际的工作中信号光的输入有两种情况，第一种情况，光信号从Input(1)输入，如果微环谐振器处于谐振状态，则图2所示的所有光学输出端都没有信号光输出，如果微环谐振器处于非谐振状态，则信号光会在Through(5)输出。第二种情况，光信号从Input(2)输入，如果微环谐振器处于谐振状态则信号光会在图2所示Drop(3)输出，如果微环谐振器处于非谐振状态，则信号光会在Through(4)输出。

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都是由互不交叉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，提高了微环谐振器的性能。

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。

对于如图5所示的二进制光学加法器来讲，第一调制机构(未在图5中示出)位于第一环形波导的上部，用于利用输入的待运算的第一电脉冲信号调制第一微环谐振器满足或不满足其谐振条件；第二调制机构，位于第二微环谐振器的上部，用于利用输入的待运算的第二电脉冲信号调制第二微环谐振器满足或不满足其谐振条件；第一调制机构和第二调制机构为热调制机构或电光调制机构。

对于本实施例来讲，第一调制结构和第二调制机构均为热调制机构。图3为本发明实施例二进制光学加法器中热调制机构的示意图。如图3所示，热调制机构包括：金属电极层，制作于微环谐振器的上方。对于图4所示为MRR的热调制机构，加电后金属电极层发热，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随之变化从而，实现动态滤波，这里MRR相当于一个动态选择开关。优选地，金属电极层的材料为氮化钛(TiN)。

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。对于电光调制，并不是用金属电极来调制，而是利用载流子注入效应来改变折射率。

图4为本发明实施例二进制光学加法器中Y形分支耦合器的示意图。如图4所示，当光从端口(2)或端口(3)输入时(这里器件工作时，端口(2)和端口(3)没有同时输入信号光的情况)在端口(1)有光信号输出，这就相当于把来自不同路径(端口(2)和端口(3))的信号光在同一个端口(1)输出。

图5为本发明实施例二进制光学加法器的光路结构示意图。如图5所示，端口Input表示连续的光学输入端口，Y1和Y2为运算后的光学输出口，待运算的电学信号作为调制信号加在两个微环谐振器上。这样就在Y1和Y2端口得到运算后的光学结果。

对于如图5所示的二进制光学加法器的光路结构，在光信号输入端Input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。假如微环谐振器在调制电压为低电平时谐振，调制电压为高电平时微环谐振器不谐振，并假定输出端口有光输出时用逻辑‘1’表示，输出端口无光输出时用逻辑‘0’表示。该器件共有四种工作状态，下面结合结构图详细分析一下器件的工作原理。当微环R1加低电平(逻辑‘0’)，微环R2也加低电平(逻辑‘0’)这时两个微环谐振器都处于谐振状态，在光的输出端口Y1和Y2都没有光输出(逻辑值都为‘0’)即用二进制数可以表示为0+0＝00；当微环R1加低电平(逻辑‘0’)，微环R2加高电平(逻辑‘1’)，这时微环R1处于谐振状态，微环R2处于非谐振状态，在光的输出端Y2有光输出(逻辑‘1’)，在光的输出端Y1无光输出(逻辑‘0’)用二进制数可以表示为0+1＝01；当微环R1加高电平(逻辑‘1’)，微环R2加低电平(逻辑‘0’)，这时微环R1处于非谐振状态，微环R2处于谐振状态，在光的输出端Y2有光输出(逻辑‘1’)，在光的输出端Y1无光输出(逻辑‘0’)用二进制数可以表示为1+0＝01；当微环R1加高电平(逻辑‘1’)，微环R2加高电平(逻辑‘1’)，这时微环R1处于非谐振状态，微环R2处于非谐振状态，在光的输出端Y2无光输出(逻辑‘0’)，在光的输出端Y1有光输出(逻辑‘1’)用二进制数可以表示为1+1＝10；从以上例子中可以看出该器件下完成两个一位二进制数的加法；当然，通过优化结构，有望实现任意两个二进制数的加法。该加法器完成两个一位二进制数加法运算的真值表如表1所示。

表1二进制光学加法器运算的真值表

A	B	Y1	Y2
				0	0	0	0
0	1	0	1
				1	0	0	1
1	1	1	0

如表1所示，逻辑表达式为：A+B＝Y1Y2。其中，Y1Y2表示一个组合，不是两个数相乘，如Y1＝1，Y2＝0则Y1Y2表示二进制数10。

图6为本发明实施例二进制光学加法器中输入端和输出端的信号码形图。图6中，图(A)和(B)表示两个待运算的电脉冲，图(Y2)表示光电探测器得到的两个电脉冲的‘和’运算的结果，图(Y1)表示来自低位的进位，这样图(Y1)和图(Y2)的数值的组合就表示两个电脉冲所表示的二进制数的‘和’。从码形图上可以更清晰的看到本发明所具有的二进制数的加法运算功能。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。

需要说明的是，本实施例二进制光学加法器中的两个微环谐振器和Y形分支耦合器均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，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。本发明提出的基于微环谐振器的一位二进制光学加法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，对于该微环谐振器来讲，其只需要采用能量较小的连续激光即可，而不需要高强度的激光作为泵浦光。图1为两个耦合区的微环谐振器的结构图，它由两个互不交叉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。

其次，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。

综上所述，本发明基于微环谐振器的二进制光学加法器在工艺方面是与CMOS工艺是兼容的，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性能光子计算机的处理器单元发挥着重要作用。

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

1.一种二进制光学加法器，其特征在于，包括：

第一微环谐振器，具有两个耦合区：

其第一输入端，用于输入预设波长的激光；

其第二直通端，用于当所述第一微环谐振器不满足谐振条件时，输出从所述第一输入端输入的激光；

其第三下载端，用于当所述第一微环谐振器满足谐振条件时，输出从所述第一输入端输入的激光；

第二微环谐振器，具有三个耦合区：

其第一输入端，与所述第一微环谐振器的第三下载端相连通；

其第二输入端，与所述第一微环谐振器的第二直通端相连接；

其第五直通端，用于当所述第二微环谐振器不满足谐振条件时，输出从第一输入端或第二输入端输入的激光；

第三下载端，用于当所述第二微环谐振器满足谐振条件时，输出从第一输入端或第二输入端输入的激光；

第四直通端，作为所述二进制光学加法器的第一输出端；

第一调制机构，位于所述第一微环谐振器的上部，用于利用输入的待运算的第一电脉冲信号调制所述第一微环谐振器满足或不满足所述谐振条件；

第二调制机构，位于所述第二微环谐振器的上部，用于利用输入的待运算的第二电脉冲信号调制所述第二微环谐振器满足或不满足所述谐振条件；

Y形分支耦合器，其两输入端分别与所述第二微环谐振器的第五直通端和第三下载端相连接，其输出端作为所述二进制光学加法器的第二输出端；

其中，所述第一微环谐振器包括：第一波导，呈直线形，其两端分别为第一微环谐振器的第一输入端和第二直通端；第二波导，呈直线形，位于所述第一波导的一侧，与所述第一波导垂直且不相交；其远离所述第一波导的一端为第一微环谐振器的第三下载端；第一环形波导，呈环形，位于所述第一调制机构的下方，与所述第一波导和第二波导相邻，用于当其折射率满足其谐振条件时，将所述第一微环谐振器的第一输入端输入的信号光耦合至第一微环谐振器的第三下载端输出。

2.根据权利要求1所述的二进制光学加法器，其特征在于，所述第一调制机构和第二调制机构为热调制机构或电光调制机构。

3.根据权利要求2所述的二进制光学加法器，其特征在于，

所述第一调制机构包括：第一金属电极层，制作于第一微环谐振器的上方，用于输入待运算的第一电脉冲信号，利用所述第一电脉冲信号产生的热量加热所述第一微环谐振器，使其折射率发生变化，以调制其满足或不满足谐振条件；

所述第二调制机构包括：第二金属电极层，制作于第二微环谐振器的上方，用于输入待运算的第二电脉冲信号，利用所述第二电脉冲信号产生的热量加热所述第二微环谐振器，使其折射率发生变化，以调制其满足或不满足谐振条件。

4.根据权利要求3所述的二进制光学加法器，其特征在于，所述第一金属电极层和第二金属电极层的材料氮化钛。

5.根据权利要求1所述的二进制光学加法器，其特征在于，所述第二微环谐振器包括：

第三波导，呈反“L”形，其两端分别为第二微环谐振器第一输入端和第五直通端；

第四波导，呈倒“L”形，与所述第三波导相对且不相交，其两端为第二微环谐振器的第二输入端和第四直通端；

第五波导，呈直线形，位于所述第四波导的一侧，与所述第四波导的一边垂直且不相交；其远离所述第四波导的一端为第二微环谐振器的第三下载端；

第二环形波导，呈环形，位于所述第二调制机构的下方，所述第四波导的一侧，所述第五波导与所述第三波导的一边之间，用于当其折射率满足其谐振条件时，将从第二微环谐振器的第一输入端或第二输入端输入的信号光耦合至第二微环谐振器的第三下载端输出。

6.根据权利要求5所述的二进制光学加法器，其特征在于，

所述二进制光学加法器的第一输出端，用于输出所述第一电脉冲信号和第二电脉冲信号的二进制加法的高位信号；

所述二进制光学加法器的第二输出端，用于输出所述第一电脉冲信号和第二电脉冲信号的二进制加法的低位信号。

7.根据权利要求6所述的二进制光学加法器，其特征在于，

对于所述第一微环谐振器：当输入逻辑“0”时，所述第一电脉冲信号为低电平，所述第一环形波导处于谐振状态；当输入逻辑“1”时，所述第一电脉冲信号为高电平，所述第一环形波导处于非谐振状态；

对于所述第二微环谐振器：当输入逻辑“0”时，所述第二电脉冲信号为低电平，所述第二环形波导处于谐振状态；当输入逻辑“1”时，所述第二电脉冲信号为高电平，所述第二环形波导处于非谐振状态；

对于所述二进制光学加法器：其第一输出端或第二输出端有光输出时为逻辑“1”；无光输出时为逻辑“0”。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的二进制光学加法器，其特征在于，所述第一微环谐振器、第二微环谐振器和Y形分支耦合器均为利用SOI材料制成的硅波导，其芯层为Si，其包层为SiO₂。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的二进制光学加法器，其特征在于，所述第一电脉冲信号和第二电脉冲信号为时域上同步的信号。