CN106405979A - 集成的全光逻辑器件 - Google Patents

Abstract

一种集成的全光逻辑器件，包括：一第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件，该第一逻辑单元器件的输出端口2与该第二逻辑单元器件的端口5连接，形成与门，所述第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件的端口1为输入端口，第二逻辑单元器件的端口2作为与门的输出端。本发明是利用集成光子器件平台实现的输入输出均为光信号的全光逻辑单元，具有效率高，体积小，功耗低，成本低，全集成的优点。

Description

集成的全光逻辑器件

技术领域

本发明属于光计算领域，特别涉及一种集成的全光逻辑器件。

背景技术

以半导体晶体管为基础的集成电路的发展带动了人类向电子时代和互联网时代，现如今随着光通信的发展，人们正在向光子时代飞速发展。与电子信息相比光信息具有高带宽、低延时、低损耗的优点会为人们带来更加高速高效的数据连接，但同时无法存储、无光逻辑器件等缺点限制了光在信息处理和计算领域中的应用。因此全光逻辑器件的研究受到了广泛的关注，研究者利用材料和器件的非线性效应提出了基于SOA和非线性材料的光开关和光逻辑单元，但这些器件均需要很高的光功率密度激发非线性效应，功耗很高。研究者还提出了一种介于光逻辑器件和电逻辑器件之间的电光导向逻辑器件，虽然能将输入电信号的逻辑运算结果表达在光上输出，但无法实现输入输出均为光信号的全光逻辑运算。本发明提出一种输入输出均为光信号的全光逻辑器件的设计，包括三种基本逻辑运算门单元，逻辑单元、与门、或门。设计的器件基于集成光子器件，其效率高，体积小，功耗低，成本低，易于大规模光电集成。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种集成的全光逻辑器件，利用集成光子器件平台实现的输入输出均为光信号的全光逻辑单元，具有效率高，体积小，功耗低，成本低，全集成的优点。

本发明提供一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件，该第一逻辑单元器件的输出端口2与该第二逻辑单元器件的端口5连接，形成与门，所述第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件的端口1为输入端口，第二逻辑单元器件的端口2作为与门的输出端。

本发明还提供一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第三逻辑单元器件和第四逻辑单元器件，该第三逻辑单元器件的输出端口2与该第四逻辑单元器件的端口4连接，该第三逻辑单元器件的输出端口3与该第四逻辑单元器件的端口3合并输出，形成或门，所述第三逻辑单元器件和第四逻辑单元器件的端口1为输入端口，第三逻辑单元器件的端口3和第四逻辑单元器件的端口3作为或门的输出端。

本发明的有益效果是，在集成光子器件平台实现，具有效率高，体积小，功耗低，成本低，全集成的优点。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的第一实施例的结构框图；

图2是是本发明第二实施例的结构框图；

图3是图1或图2中的逻辑单元器件的结构框图；

具体实施方式

请参阅图1和图3所示，是本发明的第一实施例，本发明提供一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第一逻辑单元器件U1和第二逻辑单元器件U2，该第一逻辑单元器件U1的输出端口2与该第二逻辑单元器件U2的端口5连接，形成与门，所述第一逻辑单元器件U1和第二逻辑单元器件U2的端口1为输入端口，第二逻辑单元器件U2的端口2作为与门的输出端。

其中所述的逻辑单元器件U1和逻辑单元器件U2又可作为非门器件。

其中所述逻辑单元器件U1、逻辑单元器件U2包括：

一光电流探测器10，所述光电流探测器10是锗硅材料的光探测器或者三五族材料的光探测器；光电流探测器10的作用是将光控制信号转换为电流控制信号驱动光开关，改变光开关的工作状态。光电流探测器的原理是利用材料的光吸收特性，产生光生载流子，在外加电场的驱动下形成光电流，从而将光信号转换为电流信号；常见的器件结构有PIN型、APD型和MSM型探测器，这些不同结构的探测器均能将光信号转为电流信号；锗硅材料以及三五族材料的探测器是目前成熟的用于通信波段的光电探测器件，其器件尺寸小，转换效率高，集成度高。

所述光开关20，其控制端端与光电流探测器10的输出端连接(参阅图3)，所述光开关20是电流驱动型光开关，其工作原理是利用注入载流子改变器件中波导材料的折射率或吸收增益系数，从而实现光开关光路切换或者通断。所述光开关20是硅基或三五族材料的光开关。三五族材料是目前较为成熟的集成光子器件材料平台，三五族材料的电流驱动型光开关利用注入载流子浓度的变化，改变光波导的折射率或者增益吸收系数，从而实现光路的切换或通断。硅基材料的光开关由2个3dB分光耦合器以及PIN结构的相移臂波导组成。其中PTN相移臂波导利用载流子色散效应改变硅基光波导折射率，从而改变光路。

所述光开关20的光学结构是MZI型光开关，或者是微环型光开关。硅基MZI型光开关由2个3dB分光耦合器以及相移臂波导组成。通过改变相移臂波导折射率，从而改变光路的相位差，实现光路的通断和切换。硅基微环型光开关由直波导和封闭的环形波导组成，根据环形波导的谐振特性，某些特定波长的光在环内产生谐振，改变其传播方向。通过改变环内波导的折射率，进而改变谐振的波长。

其中所述光电流探测器10和光开关20的结构等效为两个反向串联的二极管，光开关20的P极与光电流探测器10的P极相连，光开关20的N极与地连接，光电流探测器10的N极与电源正极相连。

简单描述工作过程

基本逻辑单元的构成以及工作原理：如图3所示，光电流探测器10和光开关20从工作原理上可以等效为两个二极管。在外加电源的电场作用下，光电流探测器10工作在二极管反偏状态，光开关20工作在二极管正偏状态。输入光信号A通过波导进入光电流探测器10产生光电流驱动光开关20工作。输入光信号关闭即A＝0时，光电流探测器10只产生微弱的暗电流流过整个链路，对光开关20作用忽略不计，光开关20的状态不发生改变，工作在交叉状态，即5端口输入的光从端口3输出，4端口输入的光从端口2输出。输入光信号打开即A＝1时，光电流探测器10产生光电流经过光开关20的相移臂，使光开关20的状态发生变化，使其工作在直通状态，即5端口输入的光从端口2，4端口输入的光从端口3输出。

当逻辑单元作为非门器件使用时，如图3所示，连续光等效为逻辑状态1从端口5进入，输入信号A从端口1输入，端口2作为逻辑输出结果Y。当输入信号A＝0时，光开关20处于交叉状态，端口2此时通光，输出信号Y＝1.当输入信号A＝1时，开关处于直通状态，端口2此时无光，输出信号Y＝0.输出结果Y正是输入光信号A的非，真值表由表1给出。

表1非门真值表

A	Y
		0	1
1	0

如图1所示，第一逻辑单元器件U1和第二逻辑单元器件U2组成与门器件。输入光信号A从单元U1的端口1输入，另一路输入光信号B从单元U2的端口1输入，连续光作为逻辑1由端口5输入U1，U2中的端口2作为运算结果Y输出端口。当A＝0时，无光输入，U1工作在交叉状态，U1的端口2处于消光状态，无光进入U2，因此最终的输出Y＝0.当A＝1时，有光输入，U1工作在直通状态，U1的端口2有光输出并进入U2的端口5，最终输出的结果由B的取值决定。当B＝0时，U2工作在交叉状态，端口2无光输出，最终输出Y＝0；当B＝1时，U2工作在直通状态，端口2有光输出，最终输出Y＝1。输出结果Y正是输入光信号A与输入光信号B的运算结果A·B，真值表由表2给出。

表2与门真值表

A	B	Y
			0	0	0
0	1	0
			1	0	0
1	1	1

请参阅图2、图3所示，是本发明的第二实施例，本发明提供一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第三逻辑单元器件U3和第四逻辑单元器件U4，该第三逻辑单元器件U3的输出端口2与该第四逻辑单元器件U4的端口4连接，该第三逻辑单元器件U3的输出端口3与该第四逻辑单元器件U4的端口3合并输出，形成或门，所述第三逻辑单元器件U3和第四逻辑单元器件U4的端口1为输入端口，第三逻辑单元器件U3的端口3和第四逻辑单元器件U4的端口3作为或门的输出端。

本发明的第二实施例与第一实施例的其他结构基本相同，在此不重复描述。

简单描述工作过程

如图2所示，第三逻辑单元器件U3和第四逻辑单元器件U4组成或门器件。当A＝0时，无光输入，U1工作在交叉状态，U1的输出为端口1’并且由端口2进入U2，最终输出的结果由B的取值决定。当B＝0时，光从U2的空闲端口1’输出，最终端口无信号。当B＝1时，光从U2的端口2’输出进入合束器从最终端口输出。

当A＝1时，有光输入，U1工作在直通状态，U1的输出为2’，不与U2相连，不受信号B的影响，直接进入合束器从最终端口输出。

输入光信号A从单元U3的端口1输入，另一路输入光信号B从单元U4的端口1输入，连续光作为逻辑1由端口4输入U3，U4和U3中的端口3合并作为运算结果Y输出端口。当A＝0时，无光输入，U3工作在交叉状态，U3的端口2有光输出并进入U4的端口4，最终输出的结果Y由B的取值决定。当B＝0时，U4工作在交叉状态，端口3无光输出，最终输出Y＝0；当B＝1时，U4工作在直通状态，端口3有光输出，最终输出Y＝1。当A＝1时，有光输入，U3工作在直通状态，U3的端口3有光输出，不经过U4直接输出，最终结果Y＝1。输出结果Y正是输入光信号A与输入光信号B的运算结果A+B，真值表由表2给出。

表3或门真值表

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，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)

1.一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件，该第一逻辑单元器件的输出端口2与该第二逻辑单元器件的端口5连接，形成与门，所述第一逻辑单元器件和第二逻辑单元器件的端口1为输入端口，第二逻辑单元器件的端口2作为与门的输出端。

2.一种集成的全光逻辑器件，包括：

一第三逻辑单元器件和第四逻辑单元器件，该第三逻辑单元器件的输出端口2与该第四逻辑单元器件的端口4连接，该第三逻辑单元器件的输出端口3与该第四逻辑单元器件的端口3合并输出，形成或门，所述第三逻辑单元器件和第四逻辑单元器件的端口1为输入端口，第三逻辑单元器件的端口3和第四逻辑单元器件的端口3作为或门的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的集成的全光逻辑器件，其中所述的逻辑单元器件、逻辑单元器件、逻辑单元器件和逻辑单元器件为非门器件。

4.根据权利要求3所述的集成的全光逻辑器件，其中逻辑单元器件、逻辑单元器件、逻辑单元器件和逻辑单元器件包括：

一光电流探测器；

一光开关，其控制端端与光电流探测器的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的集成的全光逻辑器件，其中光电流探测器和光开关的结构等效为两个反向串联的二极管，光开关的P极与光电流探测器的P极相连，光开关的N极与地连接，光电流探测器的N极与电源正极相连。

6.根据权利要求5所述的集成的全光逻辑器件，其中光开关是电流驱动型光开关。

7.根据权利要求5所述的集成的全光逻辑器件，其中光电流探测器是锗硅材料的光探测器或者三五族材料的光探测器。

8.根据权利要求6所述的集成的全光逻辑器件，其中光开关是硅基或三五族材料的光开关。

9.根据权利要求8所述的集成的全光逻辑器件，其中光开关的光学结构是MZI型光开关，或者是微环型光开关。