CN104793428A - 一种硅基集成电光或-与逻辑器件 - Google Patents

一种硅基集成电光或-与逻辑器件 Download PDF

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CN104793428A CN201510236337.7A CN201510236337A CN104793428A CN 104793428 A CN104793428 A CN 104793428A CN 201510236337 A CN201510236337 A CN 201510236337A CN 104793428 A CN104793428 A CN 104793428A
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周平
杨林
张磊
丁建峰
陈乔杉
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Abstract

本发明公开了一种硅基集成化的电光或-与逻辑器件，该器件可以实现两个输入变量的任意逻辑函数，包括“与”、“与非”、“或”、“或非”、“同或”、“异或”。该集成电光或-与逻辑器件由两个最大项结构通过过渡波导级联而成。其中，最大项结构由两个微环谐振器和两条直波导构成，用以实现两输入变量的最大项。该电光或-与逻辑器件采用绝缘体上硅材料制备，利用现成的CMOS工艺进行加工，器件体积小、功耗低、成本低，便于与电学元件集成。

Description

一种硅基集成电光或-与逻辑器件
技术领域
本发明属于光信息处理和光计算领域，尤其涉及一种基于硅基纳米线波导的可实现两输入变量任意逻辑函数的集成电光或与逻辑器件。
背景技术
光信息处理技术具有处理并行度高、串扰低、带宽大、功耗低等优点，将在未来的大规模数据处理和数据互连中扮演着重要的角色。光逻辑器件作为未来光计算机的重要单元，近年来得到了长足的发展。2007年，美国科学家James Hardy和以色列科学家Joseph Shamir提出了电光导向逻辑(“Optics inspired logic architecture”，Optics Express，Vol.15，Issue 1，2007，pp.150-165)的概念，该逻辑运算构架的基本思想是利用电信号操作数控制光开关网络中的开关状态来改变光的传播方向，最终将逻辑运算结果以光的形式在特定的端口输出。电光导向逻辑利用光开关网络来控制光的传播完成逻辑运算，操作数对光开关的作用是同时完成的，不会产生逐级的处理延迟，其运算过程依赖于光的传播，可以实现高速的逻辑运算。
电光导向逻辑器件的基本单元是光开关，基于硅基微纳波导微环谐振器的光开关，具有功耗低、结构紧凑、与CMOS工艺兼容等优点，利于实现光电混合集成。目前文献所报道的导向逻辑结构大多是采用硅基微环谐振光开关实现的，如电光与/与非门、或/或非门、同或/异或门、译码器/编码器、半加器等逻辑器件，这些器件采用热光效应或等离子色散效应，可完成不同速率条件下多个电输入逻辑变量的特定逻辑函数。这些逻辑器件结构是针对某种特定功能的逻辑运算而设计的，因此不具有普适性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于硅基纳米线波导的片上集成电光或-与逻辑器件，通过该电光逻辑器件，实现两个输入变量的任意逻辑函数(包括“与”、“与非”、“或”、“或非”、“同或”、“异或”)。该电光逻辑器件由四个硅基微环谐振器构成，可以解决两输入变量的导向逻辑的可重构问题。该电光逻辑器件充分发挥了硅基波导结构紧凑、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点，解决了可重构电光导向逻辑器件的集成化和小型化问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种实现两输入变量任意逻辑函数的硅基集成化的电光或-与逻辑器件，该电光或-与逻辑器件采用绝缘体上硅(SOI)材料制备，该电光或-与逻辑器件的基本单元为硅基纳米线微环谐振器。
上述方案中，微环谐振器的调制方式为基于热光效应的热光调制或者基于自由载流子等离子色散效应的电光调制。
上述方案中，实现两输入变量A和B任意逻辑函数的硅基集成化的电光或-与逻辑器件由两个最大项结构级联而成。第一最大项结构中直波导L2的下载通过过渡波导L6与第二最大项结构中直波导L3的输入端相连。由第二最大项结构中直波导L4的下载端得到A和B的任意逻辑函数。
上述方案中，最大项结构由两段直波导(L1和L2)和两个微环谐振器(R11和R12)组成，输入变量A加载在R11上，输入变量B加载在R12上。由L1的输入端输入的是一个波长固定、功率恒定的连续光信号，L2的下载端得到两个输入逻辑变量A和B的最大项。
上述方案中，将R11和R12的初始谐振波长设置于λ1，工作波长置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项Y1＝A+B。
上述方案中，将R11的初始谐振波长设置于λ2，将R12的初始谐振波长设置于λ1，工作波长置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项
上述方案中，将R11的初始谐振波长设置于λ1，将R12的初始谐振波长设置于λ2，工作波长置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项
上述方案中，将R11和R12的初始谐振波长设置于λ2，工作波长置于λ2，可实现A和B的最大项
上述方案中，通过第一最大项结构实现(A+0)，第二最大项结构实现(B+0)，硅基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“与”运算结果。
上述方案中，通过第一最大项结构实现硅基集成化的电光或与逻辑器件可以输出A和B的“与非”运算结果。
上述方案中，通过第一最大项结构实现A+B，硅基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“或”运算结果。
上述方案中，通过第一最大项结构实现第二最大项结构实现硅基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“或非”运算结果。
上述方案中，通过第一最大项结构实现第二最大项结构实现硅基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“同或”运算结果。
上述方案中，通过第一最大项结构实现(A+B)，第二最大项结构实现硅基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“异或”运算结果。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的硅基集成电光或-与逻辑器件，可以实现两个电学输入变量的任意逻辑函数，包括“与”、“与非”、“或”、“或非”、“同或”、“异或”，具有较好的灵活性和普适性。
(2)本发明提出的硅基集成电光或-与逻辑器件，由硅基微环谐振器和硅波导构成，加工工艺方面与CMOS工艺是兼容的，可以利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小、功耗低、成本低，便于与电学元件进行集成。
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，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是依照本发明实施例的实现两个输入变量(A和B)的最大项的最大项结构示意图；
图2是依照本发明实施例中微环谐振器环形波导热调制机构的剖面图；
图3是依照本发明实施例的实现两个输入变量A和B的函数Y1＝A+B时，最大项结构中微环谐振器R11和R12在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应曲线；
图4是依照本发明实施例的实现两个输入变量A和B的函数时，最大项结构中微环谐振器R11和R12在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应曲线；
图5是依照本发明实施例的实现两个输入变量A和B的函数时，最大项结构中微环谐振器R11和R12在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应曲线；
图6是依照本发明实施例的实现两个输入变量A和B的函数时，最大项结构中微环谐振器R11和R12在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应曲线；
图7是依照本发明实施例的实现两个输入变量(A和B)任意逻辑函数的电光或-与逻辑器件结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，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相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
本发明在材料加工方面采用的是绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)技术，SOI波导芯层硅的材料折射率为3.5，包层为空气或二氧化硅，二者的折射率分别为1和1.44。由于包层和芯层之间的折射率差很大，基于SOI技术的纳米线波导结构具有很强的光场限制能力和很低的弯曲损耗。这样的特点使得在一个芯片上实现多个不同形状与功能的SOI波导器件更容易集成。本发明构建器件所采用的基本单元是基于硅基纳米线波导的微环谐振器(Microring Resonator)，环形波导的半径可以小至5微米，结构紧凑，可以实现105/cm2以上的高集成度，有利于复杂可重构导向逻辑器件的集成。
图1所示为实现两个输入变量A和B的最大项(A+B、 )的结构示意图。该最大项结构由两段直波导(L1和L2)和两个微环谐振器(R11和R12)组成，由输入端输入的是一个波长固定、功率恒定的连续光信号，光信号由输入端进入波导L1后，沿着L1的方向向前传播。由于SOI纳米线波导折射率差大，光场限制能力强，只有少量倏逝波弥散到波导之外。当光信号靠近环形波导R11时，由于光场会向折射率高的区域传播，波导L1中的光场将有一部分通过倏逝场耦合进入环形波导中，微环谐振器R11中的信号也会通过倏逝场耦合进入波导L2中。如果输入光信号的波长λw满足谐振条件，即R11的谐振波长λr1等于输入光信号的波长λw(R11的谐振波长由公式m*λr1＝neff*2π*R11确定，其中m为正整数，neff为波导的有效折射率，R11为微环谐振器的半径)，则光脉冲在微环谐振器R11中传播若干圈后，光能量将几乎全部由波导L1耦合进入R11中，并由环形波导R11耦合进波导L2中，然后由波导L2的下载端输出。如果R11的谐振波长λr1不等于输入光信号的波长λw，则入射光信号不受微环谐振器R11的影响，沿着波导L1继续向前传播。当光信号接近微环谐振器R12时，如果R12的谐振波长等于光信号的波长λw，则光信号几乎全部由波导L1耦合进入R12中，并由环形波导R12耦合进波导L2中，然后由波导L2的下载端输出。如果R12的谐振波长不等于输入光信号的波长λw，则输入光信号直接由直通端输出，并通过直通端的光栅耦合器耗散到空气中。
实际工作时，需要使微环谐振器R11和R12的谐振波长λr1和λr2动态可调，使λr1的取值在λw＝λr1和λw≠λr1之间切换，使λr2的取值在λw＝λr2和λw≠λr2之间切换。微环谐振器的半径在工艺完成后就确定下来，由谐振条件公式m*λ＝neff*2π*R可知，要调节谐振波长以实现动态滤波，只能通过调节环形波导的有效折射率来改变微环谐振器的谐振波长，而有效折射率与材料折射率有关。本发明可以采取两种方法来改变波导材料的折射率：一是通过热光效应来实现，即通过对波导材料加热(具体办法是在硅波导上通过MOCVD淀积一层金属作为加热电极)以改变材料的温度，从而改变其折射率。二是通过载流子注入或抽取来改变材料的折射率(电光效应)，一般在高速系统中，即集成电光逻辑器件需要在高速率条件下工作时采用电光效应。图1中A表示加载在微环谐振器R11上的数字电脉冲信号，B表示加载在微环谐振器R12上的数字电脉冲信号。
本发明实施例利用热光效应来说明图1所示最大项结构实现两输入逻辑变量最大项的工作原理。图2为依照本发明实施例的微环谐振器的环形波导热调制机构的剖面图，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，环形波导的有效折射率neff发生变化，微环谐振器的谐振波长λr随之产生变化，从而实现微环谐振器的动态滤波。优选的，金属电极层采用的材料为氮化钛(TiN)。
本发明实施例利用热光效应来说明图1所示最大项结构实现Y1＝A+B的工作原理，图3中实线所示曲线为图1所示最大项结构实现Y1＝A+B时两个微环谐振器在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应。为实现逻辑运算Y1＝A+B，通过热调谐的方式将R11和R12的谐振波长均设置为λ1，即将两个微环谐振器谐振波长的初始位置重合于λ1，并将λ2选定为器件的工作波长λw。以下为器件的4个工作状态：在初始状态(状态1)，即A和B均是低电平时(逻辑“0”)，Y1无光信号输出(逻辑“0”)；状态2：当A为低电平(逻辑“0”)且B为高电平(逻辑“1”)时，R12由于热调谐的作用其谐振波长右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态3：当A为高电平(逻辑“1”)且B为低电平(逻辑“0”)时，R11由于热调谐的作用其谐振波长右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态4：当A和B均为高电平(逻辑“1”)时，R11和R12的谐振波长均由于热调谐作用而右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)。
表1列出了初始光谱为图3时，图1所示最大项结构的4个工作状态下输入逻辑变量A和B、输出逻辑变量Y1的逻辑值。从表1可以看出图1所示最大项结构可以完成逻辑运算Y1＝A+B。
表1
图4中实线所示曲线为图1所示最大项结构实现时两个微环谐振器在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应。为实现逻辑运算通过热调谐的方式将R11的谐振波长设置为λ2，将R12的谐振波长设置为λ1，并将λ2选定为器件的工作波长λw。以下为器件的4个工作状态：在初始状态(状态1)，即A和B均是低电平时(逻辑“0”)，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态2：当A为低电平(逻辑“0”)且B为高电平(逻辑“1”)时，R12由于热调谐的作用其谐振波长右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态3：当A为高电平(逻辑“1”)且B为低电平(逻辑“0”)时，R11由于热调谐的作用其谐振波长右移至λ3，R12的谐振波长保持在λ1，Y1无光信号输出(逻辑“0”)；状态4：当A和B均为高电平(逻辑“1”)时，R11的谐振波长右移至λ3，而R12的谐振波长右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)。
表2列出了初始光谱为图4时，图1所示最大项结构的4个工作状态下输入逻辑变量A和B、输出逻辑变量Y1的逻辑值。从表2可以看出图1所示最大项结构可以完成逻辑运算
表2
图5中实线所示曲线为图1所示最大项结构实现时两个微环谐振器在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应。为实现逻辑运算通过热调谐的方式将R11的谐振波长设置为λ1，将R12的谐振波长设置为λ2，并将λ2选定为器件的工作波长λw。以下为器件的4个工作状态：在初始状态(状态1)，即A和B均是低电平(逻辑“0”)时，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态2：当A为低电平(逻辑“0”)且B为高电平(逻辑“1”)时，R12由于热调谐的作用其谐振波长右移至λ3，而R11的谐振波长保持在λ1，Y1无光信号输出(逻辑“0”)；状态3：当A为高电平(逻辑“1”)且B为低电平(逻辑“0”)时，R11由于热调谐的作用其谐振波长右移至λw，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；当A和B均为高电平(逻辑“1”)时，R11的谐振波长右移至λw，而R12的谐振波长右移至λ3，Y1有光信号输出(逻辑“1”)。
表3列出了初始光谱为图5时，图1所示最大项结构的4个工作状态下输入逻辑变量A和B、输出逻辑变量Y1的逻辑值。从表3可以看出图1所示最大项结构可以完成逻辑运算
表3
图6中实线所示曲线为图1所示最大项结构实现时两个微环谐振器在初始状态(即A和B均为低电平)的光谱响应。为实现逻辑运算通过热调谐的方式将R11和R12的谐振波长均设置为λ2，并将λ2选定为器件的工作波长λw。以下为器件的4个工作状态：在初始状态(状态1)，即A和B均是低电平(逻辑“0”)时，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态2：当A为低电平(逻辑“0”)且B为高电平(逻辑“1”)时，R12由于热调谐的作用其谐振波长右移至λ3，而R11的谐振波长保持在λ2，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；状态3：当A为高电平(逻辑“1”)且B为低电平(逻辑“0”)时，R11由于热调谐的作用其谐振波长右移至λ3，而R12的谐振波长保持在λ2，Y1有光信号输出(逻辑“1”)；当A和B均为高电平(逻辑“1”)时，R11和R12的谐振波长均右移至λ3，Y1无光信号输出(逻辑“0”)。
下表4列出了初始光谱为图6时，图1所示最大项结构的4个工作状态下输入逻辑变量A和B、输出逻辑变量Y1的逻辑值。从表4可以看出图1所示最大项结构可以完成逻辑运算
表4
以上结合图3、图4、图5和图6分别说明了图1所示的最大项结构实现两输入变量A和B的最大项(A+B、)的工作原理，下面说明如何通过两个最大项结构的级联实现A和B的任意逻辑函数。
图7所示结构是实现两个输入变量(A和B)任意逻辑函数的电光或-与逻辑器件结构示意图。图7由两个图1所示的最大项结构级联而成。直波导L2的下载端通过过渡波导L6与直波导L3的输入端相连，直波导L4的下载端通过过渡波导L7与输出直波导L5相连，由波导L5的输出端得到两输入变量A和B的任意逻辑函数。输入电脉冲信号A同时加载在微环谐振器R11和R21上，输入电脉冲信号B同时加载在微环谐振器R12和R22上。
为了使图7所示结构实现两个输入变量A和B的“与”运算，即实现逻辑函数Z＝AB，将该式转换为或-与表达式，即Z＝AB＝(A+0)(B+0)。将R12设置为对输入波长为λw的光信号不起作用，由微环谐振器R11和R12实现(A+0)。当A为高电平时，输入光信号被R11下载，然后由L2的下载端输出；当A为低电平时，R11不对输入光信号起作用，L2的下载端无光信号输出。故在L2的下载端可以得到Y1＝A+0。同理，将R21设置为对输入波长为λw的光信号不起作用，由微环谐振器R21和R22实现(B+0)。最后，由输出端得到Z＝(A+0)(B+0)。综上分析，输出端Z可以得到输入变量A和B的“与”运算结果。
为了使图7所示结构实现两个输入变量的“与非”运算，即实现逻辑函数将该式转换为或-与表达式，即将R11和R12的谐振波长初始状态设置为图6中实线曲线所示，则可在L2的下载端得到将R21或R22设置成对波长为λw的光信号进行下载，则可以在输出端Z得到综上分析，输出端Z可以得到输入变量A和B的“与非”运算结果。
为了使图7所示结构实现两个输入变量的“或”运算，即实现逻辑函数Z＝A+B。将R11和R12的谐振波长初始状态设置为图3中实线曲线所示，则可在L2的下载端得到Y1＝A+B。将R21或R22设置成对波长为λw的光信号进行下载，则可以在输出端Z得到Z＝A+B。综上分析，输出端Z可以得到输入变量A和B的“或”运算结果。
为了使图7所示结构实现两个输入变量的“或非”运算，即实现逻辑函数将该式转换为或-与表达式，即将R12设置为对输入波长为λw的光信号不起作用，由微环谐振器R11和R12实现当A为高电平时，输入光信号不被R11下载，L2的下载端无光信号输出；当A为低电平时，R11对输入光信号进行下载，L2的下载端有光信号输出。故在L2的下载端可以得到同理，将R21设置为对输入波长为λw的光信号不起作用，由微环谐振器R21和R22实现最后，由输出端得到综上分析，输出端Z可以得到输入变量A和B的“或非”运算结果。
为了使图7所示结构实现两个输入变量的“同或”运算，即采用R11和R12所构成的最大项结构实现由直波导L2的下载端可以得到Y1，Y1信号由过渡波导L6引入直波导L3中。采用R21和R22所构成的最大项结构实现故在L5的输出端得到 Z = Y 1 Y 2 = ( A + B ‾ ) ( A ‾ + B ) .
为了使图7所示结构实现两个输入变量的“异或”运算，即采用R11和R12所构成的最大项结构实现Y1＝(A+B)，由直波导L2的下载端可以得到Y1，Y1信号由过渡波导L6引入直波导L3中。采用R21和R22所构成的最大项结构实现故在L5的输出端得到 Z = Y 1 Y 2 = ( A + B ‾ ) ( A ‾ + B ‾ ) .
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 (12)

1.一种硅基集成电光或与逻辑器件，能够实现两输入变量A和B的任意逻辑函数，由两个最大项结构级联而成，第一最大项结构中直波导L2的下载端通过过渡波导L6与第二最大项结构中直波导L3的输入端相连，由第二最大项结构中直波导L4的下载端得到A和B的任意逻辑函数，其特征在于，所述第一最大项结构由两段直波导L1、L2和两个微环谐振器R11、R12组成，输入变量A加载在R11上，输入变量B加载在R12上，由L1的输入端输入的是一个波长固定、功率恒定的连续光信号，L2的下载端得到两个输入逻辑变量A和B的最大项Y1。
2.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其中所述第一最大项结构将R11和R12的初始谐振波长设置于λ1，工作波长设置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项Y1＝A+B。
3.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其中所述第一最大项结构将R11的初始谐振波长设置于λ2，将R12的初始谐振波长设置于λ1，工作波长置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项
4.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其中所述第一最大项结构将R11的初始谐振波长设置于λ1，将R12的初始谐振波长设置于λ2，工作波长置于λ2，其中λ1＜λ2，可实现A和B的最大项
5.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其中所述第一最大项结构将R11和R12的初始谐振波长设置于λ2，工作波长置于λ2，可实现A和B的最大项
6.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其中所述第二最大项结构由两段直波导L3、L4和两个微环谐振器R21、R22组成，由L3的输入端输入的是一个波长固定、功率恒定的连续光信号，L4的下载端得到两个输入逻辑变量A和B的最大项Y2。
7.如权利要求6所述的硅基集成电光或与逻辑器件，其特征在于，通过第一最大项结构实现(A+0)，第二最大项结构实现(B+0)，硅基集成电光或与逻辑器件可以输出A和B的“与”运算结果。
8.如权利要求1所述的硅基集成电光或与逻辑器件，其特征在于，通过第一最大项结构实现该硅基集成电光或与逻辑器件可以输出A和B的“与非”运算结果。
9.如权利要求1所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，通过第一最大项结构实现A+B，该硅基集成电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“或”运算结果。
10.如权利要求6所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其特征在于，通过所述第一最大项结构实现所述第二最大项结构实现该硅基集成电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“或非”运算结果。
11.如权利要求6所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其特征在于，通过所述第一最大项结构实现所述第二最大项结构实现该硅基集成电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“同或”运算结果。
12.如权利要求6所述的硅基集成电光或-与逻辑器件，其特征在于，通过第一最大项结构实现(A+B)，第二最大项结构实现该硅基集成电光或-与逻辑器件可以输出A和B的“异或”运算结果。
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