CN110275365A - 一种二进制全光四选一数据选择器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二进制全光四选一数据选择器，包括第一微环谐振器，第一微环谐振器包括第一硅基纳米线微环、第一输入光波导、第二输入光波导、第三输入光波导、第四输入光波导、第一输出光波导、第二输出光波导；第二微环谐振器，第二微环谐振器包括第二硅基纳米线微环、第五输入光波导、第六输入光波导、第三输出光波导和第四输出光波导，第一微环谐振器和第二微环谐振器内均设置有调制机构；第三输入光波导与第一输出光波导连接，第一输出光波导与第五输入光波导连接，第五输入光波导与第三输出光波导连接，第四输入光波导与所述第二输出光波导连接，第二输出光波导与第六输入光波导连接，第六输入光波导与所述第三输出光波导连接。

Description

一种二进制全光四选一数据选择器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是涉及一种二进制全光四选一数据选择器。

背景技术

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。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。针对这一问题，科学家们将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，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，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。

光学数据选择器属于光学信号处理领域，作为光运算领域基本的逻辑器件。数据选择器是一种在数字电路中比较重要的逻辑单元，采用光学方法实现的数据选择器，相较于传统电路的实现方法，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。

然而，目前出现的光学数据选择器主要是基于非线性光学原理，它需要光学数据选择器在工作时有一束高强度的激光作为泵浦光，由于光的损伤及功耗较大，实现全光有一定的困难。例如基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑异或门理论研究，森德干涉全光逻辑运算比较器，基于半导体光放大器的全光逻辑运算，基于光子晶体的全光逻辑门，他们的共同特点是功耗大、器件尺寸大以及制作工艺方面不能与当前的CMOS工艺兼容，大规模的生产较为困难。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二进制全光四选一数据选择器，可以克服传统数据选择器出现的延时、降低插入损耗等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二进制全光四选一数据选择器，该数据选择器包括：

第一微环谐振模块，用于加载待选择的数据信号，包括第一微环谐振器A，所述第一微环谐振器A包括第一硅基纳米线微环00、第一输入光波导11、第二输入光波导12、第三输入光波导13、第四输入光波导14、第一输出光波导15和第二输出光波导16，所述第一微环谐振器内设置有调制机构30；

第二微环谐振模块，用于对数据信号进行选择并输出，包括第二微环谐振器B，所述第二微环谐振器B包括第二硅基纳米线微环01、第五输入光波导21、第六输入光波导22、第三输出光波导23和第四输出光波导24，所述第二微环谐振器内设置有调制机构30；

所述第三输入光波导与第一输出光波导连接，所述第一输出光波导与第五输入光波导连接，所述第五输入光波导与所述第三输出光波导连接，所述第四输入光波导与所述第二输出光波导连接，所述第二输出光波导与第六输入光波导连接，所述第六输入光波导与所述第三输出光波导连接。

可选地，两个电压信号分别通过调制机构作用于各自微环谐振器，其中规定电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’。

可选地，输入电压信号对各自微环谐振器的作用方式定义为：当加载的电压信号为逻辑‘0’时，微环谐振器处于波长谐振状态，光信号进入耦合区；当加载的电压信号为逻辑‘1’时，微环谐振器处于波长不谐振状态，光信号不进入耦合区，直接从对应输出光波导输出。

可选地，所述第一微环谐振器与所述第二微环谐振器的谐振波长相同。

如上所述，本发明的一种二进制全光四选一数据选择器，具有以下有益效果：

本发明提供的二进制全光四选一数据选择器，利用2个微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，采用光学处理方式实现计算机技术中对二进制数据的选择，用全光器件代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗；工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好以及低插入损耗特性，便于与其他器件的大规模集成，在光子计算机中将发挥重要作用。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1是本发明实例提供的一种二进制全光四选一数据选择器的结构示意图；

图2是带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图；

图3是带硅基电光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种二进制全光四选一数据选择器，包括第一微环谐振模块1及第二微环谐振模块2，其中，

所述第一微环谐振模块用于加载待选择的数据信号，第一微环谐振模块包括第一微环谐振器A，所述第一微环谐振器A包括第一硅基纳米线微环00、第一输入光波导11、第二输入光波导12、第三输入光波导13、第四输入光波导14、第一输出光波导15和第二输出光波导16，所述第一微环谐振器内设置有调制机构30；

所述第二微环谐振模块用于对数据信号进行选择并输出，第二微环谐振模块包括第二微环谐振器B，所述第二微环谐振器B包括第二硅基纳米线微环01、第五输入光波导21、第六输入光波导22、第三输出光波导23和第四输出光波导24，所述第二微环谐振器内设置有调制机构30；

所述第三输入光波导与第一输出光波导连接，所述第一输出光波导与第五输入光波导连接，所述第五输入光波导与所述下载波导连接，所述第四输入光波导与所述第二输出光波导连接，所述第二输出光波导与第六输入光波导连接，所述第六输入光波导与所述第三输出光波导连接。

于本实施例中，调制机构为热调制机构或电调制机构。

于本实施例中，第一输入光波导11、第二输入光波导12、第三输入光波导13及第四输入光波导14作为二进制全光四选一数据选择器的输入端口，对应输入光信号分别为D0、D1、D2及D3。第三输出光波导23作为二进制全光四选一数据选择器的输出端口，对应输出信号为Y。输出信号Y可在输出光波导接入光电探测器从而直接被读出。

所述第一微环谐振模块1加载待选择信号D0、D1、D2及D3分别从第一微环谐振器A的第一输入光波导11、第二输入光波导12、第三输入光波导13及第四输入光波导14输入。其中两个电压信号分别通过第一调制机构30作用于所述第一微环谐振器模块1和第二微环谐振器模块2。输入电压信号对微环谐振器的作用方式定义为：当调制机构30加载电压信号为逻辑‘0’时，微环谐振器处于波长谐振状态，光信号进入耦合区；当调制机构30加载电压信号为逻辑‘1’时，微环谐振器处于波长不谐振状态，光信号不进入耦合区，直接从对应输出光波导输出；规定输入的两个电压信号的各个逻辑值在时间上精确同步。

于本实施例中，所述第一微环谐振器模块1和第二微环谐振器模块2是所述二进制全光四选一数据选择器的基本单元，采用的是由互不交叉的平行波导和一个硅基纳米线微环波导构成，因为在整个结构中没有波导交叉的出现，所以减少了由于波导交叉所带来的插入损耗以及串扰问题，提高了微环谐振器的性能。理论上，两个微环谐振器的谐振波长完全一致，由绝缘体上的半导体材料制成。

如图1所示，所述待选择信号D0及D1从第一微环谐振器A的第一输入光波导11及第二输入光波导12输入，当光信号经过耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第一硅基纳米线微环00中，即光信号通过耦合作用进入第一微环谐振器A，对于信号D0和D1中满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被分别耦合至第一输出光波导15及第二输出光波导16输出。此时光信号D0和D1从第一输出光波导15和第二输出光波导16进行输出经第二微环谐振器B第五输入光波导21和第六输入光波导22，进入第二微环谐振器B。当信号经过第二微环谐振器B的耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第二硅基纳米线微环01中，即光信号通过耦合作用进入第二微环谐振器B，对于满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被耦合到第三输出光波导23和第四输出光波导24。最终的输出光波导23输出信号都定义为Y。

所述待选择信号D2及D3从第一微环谐振器A的第三输入光波导13及第四输入光波导14输入，当光信号经过耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第一硅基纳米线微环00中，即光信号通过耦合作用进入第一微环谐振器A，对于D2和D3满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被分别耦合从第二输出光波导16及第一输出光波导15输出。此时信号D2及D3从第二输出光波导16及第一输出光波导15进行输出经第二微环谐振器B的第五输入光波导21及第六输入光波导22，进入第二微环谐振器B。当信号经过第二微环谐振器B的耦合区时，光信号会通过耦合作用进入第二硅基纳米线微环01中，即光信号通过耦合作用进入第二微环谐振器B，对于满足谐振条件m×λ＝N_g×2π×R的光信号会被耦合到第三输出光波导23和第四输出光波导24。最终的输出光波导23输出信号都定义为Y。

于本实施例中，调制机构30利用输入待比较的电脉冲信号调制所对应微环谐振器满足或不满足谐振条件，当输入的脉冲信号不满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的直通端输出，当输入的脉冲信号满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的第三输出光波导输出。调制机构30为硅基热光调制器或硅基电光调制器。

图2为带有硅基热光调制器的微环谐振器的电极，如图2所示，Si衬底上有SiO2层，SiO2层上有硅基光波导，在硅基光波导的上方铺设了一层发热电极，在发热电极的引线上施加电压，会有电流通过电极，该电极会产生热量通过辐射的方式改变硅基光波导的温度，从而改变环形波导的有效折射率，继而改变微环谐振器(MRR)的谐振波长。图3为有硅基电光调制器的微环谐振器的电极，如图3所示，它是依靠改变硅基光波导中载流子浓度来改变波导的折射率，硅基电光调制器的结构比硅基热光调制器的结构复杂，制作过程更简单，所以一般在高速系统中使用硅基电光调制，在对器件响应速度要求不高的场合采用硅基热光调制。

进一步，在第一微环谐振器A的第一输入光波导11、第二输入光波导12、第三输入光波导13及第四输入光波导14输入光信号D0、D1、D2及D3，然后分别对每个所述调制机构30加上调制电压以对每个硅基纳米线微环加热从而改变每个微环谐振器的谐振波长，通过改变每个微环谐振器的谐振波长，使不同待选信号耦合到第一微环谐振器A并传输到第二微环谐振器B的第五输入光波导21及第六输入光波导22。并继续耦合到第二微环谐振器B，最终选择数据由第二微环谐振器B的第三输出光波导23输出，结果Y即为数据选择结果。假设每个微环谐振器在电压信号为高电平时的状态为逻辑‘1’，此时微环谐振器不谐振，电压信号为低电平时的状态为逻辑‘0’，微环谐振器谐振。假设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。微环谐振器A及微环谐振器B分别可取状态‘0’及状态‘1’，共有‘00’‘01’‘10’‘11’四种组合状态，最终输出信号Y对应四种输出结果，分别为D0、D1、D2及D3。规定加载在第一微环谐振器模块1的调制机构30上的电平逻辑值为A，加载在第二微环谐振器模块2的调制机构30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：

第一种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器模块2的调制机构30加低电平(B＝‘0’)，这时第一微环谐振器A和第二微环谐振器B都处于谐振状态。由于第二微环谐振器B处于谐振状态，所以从第一微环谐振器A的光信号要进入第二微环谐振器B的第五输入光波导21进入第四输出光波导24中才能输出，又因为第一微环谐振器A处于谐振状态，所以只能选择光信号端D0进行输入，满足谐振条件，从第一微环谐振器A进入的第一输入光波导11经耦合作用从第一输出光波导15输出进入第二微环谐振器B，最终光信号从第三输出光波导23进行输出，即Y＝D0。

第二种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加低电平(A＝‘0’)，第二微环谐振器模块2的调制机构30加高电平(B＝‘1’)，这时第一微环谐振器A处于谐振状态，第二微环谐振器B处于非谐振状态。由于第二微环谐振器B处于非谐振状态，所以从第一微环谐振器A的信号要进入第二微环谐振器B的第六输入光波导22中才能输出，又因为第一微环谐振器A处于谐振状态，所以只能选择光信号端D1进行输入，满足谐振条件，从第一微环谐振器A进入的第二输入光波导12经耦合作用从第二输出光波导16进入第二微环谐振器B，最终光信号从第三输出光波导23进行输出，即Y＝D1。

第三种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加高电平(A＝‘1’)，第二微环谐振器模块2的调制机构30加低电平(B＝‘0’)，这时第一微环谐振器A处于非谐振状态，第二微环谐振器B处于谐振状态。由于第二微环谐振器B处于谐振状态，所以从第一微环谐振器A的信号要进入第二微环谐振器B的第五输入光波导21进入第四输出光波导24中才能输出。又因为第一微环谐振器A处于非谐振状态，所以只能选择光信号端D2进行输入，不满足谐振条件，第三输入光波导13经第一输出光波导15输出进入第二微环谐振器B，最终光信号从第三输出光波导23进行输出，即Y＝D2。

第四种状态：当第一微环谐振器A的调制机构30加高电平(A＝‘1’)，第二微环谐振器模块2的调制机构30加高电平(B＝‘1’)，这时第一微环谐振器A第二微环谐振器B均处于非谐振状态。由于第二微环谐振器B处于非谐振状态，所以从第一微环谐振器A的信号要进入第二微环谐振器B的第二输入光信号22中才能输出，又因为第一微环谐振器A处于非谐振状态，所以只能选择光信号端D3进行输入，第四输入光波导14经第二输出光波导16进入第二微环谐振器B，最终光信号从第三输出光波导23进行输出，即Y＝D3。

所述二进制全光四选一数据选择器输入的是两个二进制电压信号，输出的是所选择通路对应的光信号，所述二进制全光四选一数据选择器完成选择运算的真值表如下表1所示：

A	B	Y
			0	0	D0
0	1	D1
			1	0	D2
1	1	D3

综上，在本发明实施例提供的二进制全光四选一数据选择器中，利用2个微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，利用光学的方式来实现四个二进制数的选择，以实现计算机技术中的二进制数据选择，利用了光的自然特性代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗；工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好以及低插入损耗特性，便于与其他器件的大规模集成。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种二进制全光四选一数据选择器，其特征在于，该数据选择器包括：

第一微环谐振模块，用于加载待选择的数据信号，包括第一微环谐振器(A)，所述第一微环谐振器(A)包括第一硅基纳米线微环(00)、第一输入光波导(11)、第二输入光波导(12)、第三输入光波导(13)、第四输入光波导(14)、第一输出光波导(15)和第二输出光波导(16)，所述第一微环谐振器内设置有调制机构(30)；

第二微环谐振模块，用于对数据信号进行选择并输出，包括第二微环谐振器(B)，所述第二微环谐振器(B)包括第二硅基纳米线微环(01)、第五输入光波导(21)、第六输入光波导(22)、第三输出光波导(23)和第四输出光波导(24)，所述第二微环谐振器内设置有调制机构(30)；

所述第三输入光波导与第一输出光波导连接，所述第一输出光波导与第五输入光波导连接，所述第五输入光波导与所述第三输出光波导连接，所述第四输入光波导与所述第二输出光波导连接，所述第二输出光波导与第六输入光波导连接，所述第六输入光波导与所述第三输出光波导连接。

2.根据权利要求1所述的一种二进制全光四选一数据选择器，其特征在于，两个电压信号分别通过调制机构作用于各自微环谐振器，其中规定电压信号是低电平为逻辑‘0’，电压信号是高电平为逻辑‘1’。

3.根据权利要求2所述的一种二进制全光四选一数据选择器，其特征在于，输入电压信号对各自微环谐振器的作用方式定义为：当加载的电压信号为逻辑‘0’时，微环谐振器处于波长谐振状态，光信号进入耦合区；当加载的电压信号为逻辑‘1’时，微环谐振器处于波长不谐振状态，光信号不进入耦合区，直接从对应输出光波导输出。

4.根据权利要求1所述的一种二进制全光四选一数据选择器，其特征在于，所述第一微环谐振器与所述第二微环谐振器的谐振波长相同。