CN102629067B

CN102629067B - 基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器

Info

Publication number: CN102629067B
Application number: CN201210077803.8A
Authority: CN
Inventors: 朱巍巍; 杨林
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: CN102629067A

Abstract

一种基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，包括：一第一微环谐振器，包括一硅基纳米线微环，一输入光波导，一直通光波导，一下载光波导；一第二微环谐振器，包括一硅基纳米线微环，一第一输入光波导，一第二输入光波导，一第一直通光波导，一第二直通光波导，一第一下载光波导，一第二下载光波导，所述第二微环谐振器的第一输入光波导与第一微环谐振器的直通光波导相连，第二输入光波导与第一微环谐振器的下载光波导相连；一2X1光合束器，包括一第一输入光波导，一第二输入光波导，一输出光波导，所述光合束器的第一输入光波导与第二微环谐振器的第一直通光波导相连，第二输入光波导与第二微环谐振器的第一下载光波导相连。

Description

基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器

技术领域

本发明是一种用于光学信号处理和光计算领域的光学逻辑器件，一个显著特点是，该器件用结构紧凑的硅基集成化微环谐振器实现逻辑功能。

背景技术

随着科学技术的发展，在涉及到国防安全国计民生和人民日常生活的各个领域中，有着越来越多的信息需要处理，目前，在信息处理领域主要采用电子计算机等，这样就对电子计算机的性能提出了越来越高的要求。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比较速度，从1946年第一台电子计算机的比较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。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。这些计算机目前只是处于概念阶段，但是展现了美好的前景，从基本的逻辑单元开始研究，为实现新型计算机打下基础。

本发明提出一位二进制光学数值比较器，该发明属于光学信号处理和光计算领域，有希望在今后成为光计算中重要的逻辑器件。数值比较器是一种在数字电路中比较重要的逻辑单元，数值比较器就是对两数A、B进行比较，以判断其大小的逻辑电路。比较结果有A＞B、A＜B以及A＝B三种情况。其中，一位数值比较器是构成其它更复杂的多位比较器的基本单元，本发明就是采用光学方法实现的一位数值比较器，更复杂的结构可以以之为基础构建。相较于电路的实现方法，光学手段实现的优势在于：由于光的天然属性，被比较单元之间有着较好的独立性，并行性好，延时小，数据量大，这些都是电路方法所难于实现的。

为实现该光学逻辑器件，可采用与CMOS工艺相兼容的工艺手段，可以实现大规模集成、体积小、功耗低、速度快，在将来可能在光子计算机的处理器单元发挥重要作用。

发明内容

本发明的主要目的在于给出了一种基于微环谐振器(MRR)的一位二进制光学数值比较器，这种光学数值比较器可以解决传统电学数值比较器中的竞争冒险、门延时、高功耗，速度瓶颈等问题，借助于CMOS工艺，成为一种体积小，功耗和成本都较低的新型光学逻辑器件。

为了达到上面提出的目的，本发明提出来一种基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，包括：

一第一微环谐振器，包括一硅基纳米线微环，一输入光波导，一直通光波导，一下载光波导；

一第二微环谐振器，包括一硅基纳米线微环，一第一输入光波导，一第二输入光波导，一第一直通光波导，一第二直通光波导，一第一下载光波导，一第二下载光波导，所述第二微环谐振器的第一输入光波导与第一微环谐振器的直通光波导相连，第二输入光波导与第一微环谐振器的下载光波导相连；

一2X1光合束器，包括一第一输入光波导，一第二输入光波导，一输出光波导，所述光合束器的第一输入光波导与第二微环谐振器的第一直通波导相连，第二输入光波导与第二微环谐振器的第一下载光波导相连；

所述第一微环谐振器的输入光波导输入连续恒定光信号，第一微环谐振器和第二微环谐振器加载待比较的电压信号，2X1合束器的输出光波导，第二微环谐振器的第二下载光波导和第二直通光波导的三个光波导所输出的光信号共同组成最终的比较结果信号，该光信号可直接进入下一级进行运算也可在输出光波导接入光电探测器从而直接读出计算结果。

本发明的主要优点在于：用一位二进制光学数值比较器代替了传统的电学一位二进制数值比较器，由于光学方法的天然特性，使得并行性好，数据传输量大。加以现代的工艺，使得体积小，功耗低，有着比较好的可拓展性，方便光电集成。有着很好的应用前景。

附图说明

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，对本发明进行进一步详细说明，其中：

图1为基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器的结构示意图；

图2为图1中第一微环谐振器的结构示意图；

图3为图1中第二微环谐振器的结构示意图；

图4为图1中2X1光合束器的结构示意图；

图5为接收光波导使用本发明所得到的信号码形图，其中图A和B表示两个待比较的电脉冲，图中F(A＝B)，F(A＞B)，F(A＜B)的逻辑‘1’和‘0’的四种组合代表了A＝B，A＞B，A＜B的情况。

具体实施方式

参阅图1所示，本发明提供了一种基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，包括：

一第一微环谐振器1，包括一硅基纳米线微环10，一输入光波导11，一直通光波导12，一下载光波导13，该微环谐振器带有热调制机构或电调制机构100；

一第二微环谐振器2，包括一硅基纳米线微环20，一第一输入光波导21，一第二输入光波导22，一第一直通光波导23，一第二直通光波导24，一第一下载光波导25，一第二下载光波导26，所述第二微环谐振器2的第一输入光波导21与第一微环谐振器1的直通光波导12相连，第二输入光波导22与第一微环谐振器1的下载光波导13相连，该微环谐振器同样带有热调制机构或电调制机构100；

第一微环谐振器1的输入光波导11输入连续恒定光信号，第一微环谐振器1和第二微环谐振器2加载待比较的电压信号，待比较的两个电压信号分别通过调制机构100作用于两个微环谐振器1、2，定义电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’；定义光波导有光输出时为逻辑“1”无光输出时为逻辑“0”。待比较的两个电压信号对各自的微环谐振器1、2的作用方式定义为：当电压信号中出现逻辑“1”时，微环谐振器1、2在工作波长处谐振，光信号耦合到下载光波导输出；当电压信号中出现逻辑“0”时，微环谐振器1、2在工作波长处不谐振，光信号从直通光波导输出。待比较的两个电压信号的各个逻辑值在时间上精确对齐，即各个逻辑值在时间上精确同步。

一2X1光合束器3，包括一第一输入光波导31，一第二输入光波导32，一输出光波导33，所述光合束器3的第一输入光波导31与第二微环谐振器2的第一直通波导23相连，第二输入光波导32与第二微环谐振器2的第一下载光波导24相连，该2X1合束器3是Y型分支耦合器，这里是把Y型分支耦合器倒过来用，相当于二合一的光合束器。其中输出光波导33，第二微环谐振器2的第二下载光波导25和第二直通光波导26的三个光波导所输出的光信号共同组成最终的比较结果信号，记为F(A＝B)、F(A＜B)、F(A＞B)光波导。该光信号可直接进入下一级进行运算也可在输出光波导接入光电探测器从而直接读出计算结果。

所述的两个微环谐振器1、2之间及微环谐振器1、2和2X1合束器3之间分别有一预定的距离。本发明采用绝缘体上的硅材料制备。

如图2和图3所示的第一和第二微环谐振器是本发明的基本单元。这两种微环谐振器都是由互不交叉的波导和一个硅基纳米线微环波导构成，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。

下面通过分析光信号在图2和图3所示的微环谐振器中光的传输过程，简要说明其工作原理：

对于图2所示的第一微环谐振器1，假定光信号从输入光波导11输入，当光信号经过耦合区(在直波导11、12和硅基纳米线微环弯曲波导10距离最近处的一个范围)时，光信号通过倏逝场耦合作用会耦合进入硅基纳米线微环10中，硅基纳米线微环10中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入下载光波导13中，对于满足谐振条件(m×λ＝N_g×2π×R)的光信号会被耦合到下载光波导13中，光信号从下载光波导13输出，对于不满足谐振条件的光信号将会毫无影响的通过耦合区在直通光波导12输出。

对于图3所示的第二微环谐振器2，其工作原理和图2所示的第一微环谐振器1相似，假定光信号从第一输入光波导21输入，当光信号经过耦合区时，光信号通过倏逝场耦合作用会耦合进入硅基纳米线微环20中，硅基纳米线微环20中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第二下载光波导25中，对于满足谐振条件(m×λ＝N_g×2π×R)的光信号会被耦合到第二下载光波导25中，光信号从第二下载光波导25输出，对于不满足谐振条件的光信号将会毫无影响的通过耦合区在第一直通光波导23输出。当光信号从从第二输入光波导22输入时，情况类似，不再重复叙述。

上面分析的是微环谐振器的静态工作特性，即微环谐振器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，需要微环谐振器谐振波长动态可调(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来改变微环谐振器的谐振波长。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调制机构100)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。我们通过调制机构100对硅基纳米线微环10、20加热来改变材料的折射率从而可以动态选择需要下载到下载光波导的光信号及需要输出到直通光波导的光信号，使得光信号可以在动态控制下在下载光波导输出或者在直通光波导输出，从而通过对调制机构100加载电平改变折射率达到控制光信号的输出走向的目的。

图1是光学数值比较器结构示意图。在第一微环谐振器1的输入光波导11输入处于工作波长的连续光信号(CW)，然后分别对两个硅基纳米线微环的调制机构100上加上调制电压对硅基纳米线微环10加热从而改变微环谐振器的谐振波长。假如微环谐振器在电压信号为低电平时的状态为逻辑‘0’，此时微环谐振器不谐振；电压信号为高电平时的状态为逻辑‘1’，微环谐振器谐振。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。这样，第一微环谐振器1和第二微环谐振器2就分别有‘0’和‘1’两种状态，组合起来就共有四种状态，对于每种状态，在三个输出端口33、25、26都有相应的光信号输出状态与之相对应，记加载在第一微环谐振器1调制机构100上的电平逻辑值为A，加载在第二微环谐振器2调制机构100上的电平逻辑值为B，通过对三个输出光波导输出信号的测量实现对A、B之间关系的判定，下面结合图1对四种工作状态的工作过程分别进行说明：

1.当第一微环谐振器1的调制机构100加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器2的调制机构100加低电平(B＝‘0’)这时第一第二微环谐振器1、2都处于非谐振状态，由输入光波导11输入的光未经过第一微环谐振器1的下载，从直通光波导12输出到第二微环谐振器2的第一输入光波导21，由于第二微环谐振器2未谐振，光信号从第一直通光波导23输出，再输入到2X1合束器3的第一输入光波导31，最后由2X1合束器3的输出光波导33输出，此时，三个输出端口33(F(A＝B))、25(F(A＜B))、26(F(A＞B))中只有输出光波导33有光信号输出，为“1”，其余两端口都为“0”。即F(A＝B)＝1，F(A＜B)＝0，F(A＞B)＝0；

2.当第一微环谐振器1的调制机构100加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器2的调制机构100加高电平(B＝‘1’)，这时第一微环谐振器1处于非谐振状态，第二微环谐振器2处于谐振状态，由输入光波导11输入的光未经过微环谐振器1的下载，从直通光波导12输出到第二微环谐振器2的第一输入光波导21，由于第二微环谐振器2谐振，光信号由硅基纳米线微环20耦合到第二下载光波导25并输出，其余两个端口都没有光信号输出。即F(A＝B)＝0，F(A＜B)＝1，F(A＞B)＝0；

3.当第一微环谐振器1的调制机构100加高电平(逻辑‘1’)，第二微环谐振器2的调制机构100加低电平(逻辑‘0’)，这时第一微环谐振器1处于谐振状态，第二微环谐振器2处于非谐振状态，由于第一微环谐振器1处于谐振状态，从输入光波导11输入的光信号由硅基纳米线微环10耦合到下载光波导13并输出到第二微环谐振器2的第二输入光波导22由于第二微环谐振器2不谐振，光信号直接未经下载从第二直通光波导26输出，其余两个端口都没有光信号输出。即F(A＝B)＝0，F(A＜B)＝0，F(A＞B)＝1；

4.当第一微环谐振器1的调制机构100加高电平(逻辑‘1’)，第二微环谐振器2的调制机构100加高电平(逻辑‘1’)，这时第一第二微环谐振器1、2都处于谐振状态，由于第一微环谐振器1处于谐振状态，从输入光波导11输入的光信号由硅基纳米线微环10耦合到下载光波导13并输出到第二微环谐振器2的第二输入光波导22，由于第二微环谐振器2也处于谐振状态，输入光波导22输入的光信号由硅基纳米线微环20耦合到第一下载光波导24并输入到相连的2X1合束器3的第二输入光波导32，并由输出光波导33输出，和情况1同样的，有F(A＝B)＝1，F(A＜B)＝0，F(A＞B)＝0。

从以上例子中可以看出该器件下完成两个一位二进制数数值的大小比较，此外，通过使用多个该结构的逻辑单元，并将每个逻辑单元的三个输出端口按照一定方式比较组合起来，可以实现两个多位二进制数的大小比较该比较器完成两个多位二进制数值比较。从上面的工作状态描述，该器件可以完成如下的真值表：

A	B	F(A＞B)	F(A＜B)	F(A＝B)
					0	0	0	0	1
0	1	0	1	0
					1	0	1	0	0
1	1	0	0	1

逻辑表达式为：

F (A > B) = A \overset{&OverBar;}{B}

F (A < B) = \overset{&OverBar;}{A} B

F (A = B) = \overset{&OverBar;}{A} \overset{&OverBar;}{B} + AB

上面结合图5详细说明了如何使用本发明“一种基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器”实现两个一位二进制数值比较功能。图6是两个一位二进制数实现数值比较的码形图，从码形图上我们可以更清晰的看到本发明所具有的二进制数值比较功能。

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，为达到同步需要对布线，电极设计和电磁兼容方面给予特殊设计和考虑。

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一位二进制光学数值比较器，包括：

一2X1光合束器，包括一第一输入光波导，一第二输入光波导，一输出光波导，所述光合束器的第一输入光波导与第二微环谐振器的第一直通光波导相连，所述光合束器的第二输入光波导与第二微环谐振器的第一下载光波导相连；

所述第一微环谐振器的输入光波导输入连续恒定光信号，第一微环谐振器和第二微环谐振器加载待比较的电压信号，2X1光合束器的输出光波导，第二微环谐振器的第二下载光波导和第二直通光波导的三个光波导所输出的光信号共同组成最终的比较结果信号，该光信号直接进入下一级进行运算，或在输出光波导接入光电探测器后，直接读出计算结果。

2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中第一微环谐振器和第二微环谐振器都带有热调制机构或电调制机构。

3.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中的2X1光合束器是Y型分支耦合器，这里是把Y型分支耦合器倒过来用，相当于二合一的合束器。

4.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中该所述的两个微环谐振器之间及微环谐振器和2X1光合束器之间分别有一预定的距离。

5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中待比较的两个电压信号分别通过调制机构作用于两个微环谐振器，定义电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’；定义光波导有光输出时为逻辑“1”，无光输出时为逻辑“0”。

6.权利要求5所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中待比较的两个电压信号对各自的微环谐振器的作用方式定义为：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，光信号耦合到下载光波导输出；当电压信号中出现逻辑“0”时，微环谐振器在工作波长处不谐振，光信号从直通光波导输出。

7.权利要求5所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中待比较的两个电压信号的各个逻辑值在时间上精确对齐，即各个逻辑值在时间上精确同步。

8.据权利要求1所述的基于微环谐振器的一位二进制光学数值比较器，其中该光学数值比较器采用绝缘体上的硅材料制备。