CN114362831B - 基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器 - Google Patents

基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线‑4线译码器，本发明的信号发生器输出的信号一路送入可调谐激光器，一路送入数据采集和处理系统。可调谐激光器输出的光通过衰减器与偏振控制器，经过分束器送入每个逻辑门的谐振腔。两个直流电压源产生信号作为2线‑4线译码器的输入高低电平和逻辑门需要的电压信号，施加到单环镶嵌式谐振腔中构成耦合器的干涉仪一臂中粘结的应力光调制器来控制对应耦合器的耦合系数，形成光学单环镶嵌式谐振腔的2线‑4线译码器，实现2线‑4线译码功能。输出通过光电探测器将光信号转化成电信号，利用数据采集和处理系统记录与逻辑门的计算结果。发明具备体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰的优点。

Description

基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器
技术领域
本发明涉及的是一种基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，可对输入系统的信号进行编码处理，实现2线-4线译码器功能，属于光电集成电路技术领域。
背景技术
进入二十一世纪以来，我们进入了全面信息时代。在信息高速发展的时代，人们对于信息处理的可靠性与有效性有了越来越高的要求。目前利用集成电子电路进行数据处理，由于受到量子隧穿效应的限制，导致其集成度很难按照摩尔定律继续提高，于是电子信息处理速率受到了物理特性的限制，与信息传输高速率要求的矛盾逐渐显现，光通信由于自身的显著优势被人们所关注。与电子电路相比，光计算网络以光速运行，具有器件延时小，计算效率高、抗电磁干扰、传输损耗低、功耗低等优势，因此光子计算相关器件发展迅速。在由电逻辑处理向光信息处理转变的过程中，依赖于各种光电子器件，光电子器件需要依靠各类逻辑器件来构成，2线-4线译码器作为数字电路的基本逻辑部件，可以将具有特定含义的二进制编码进行辨别，并转换成控制信号。我们提出了一种基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，可实现对输入的两路二进制码进行译码处理，对于译码器状态的改变采用的是应力调控的方式(即，应力光调制器)，可以减少系统的功耗；同时，采用了单环镶嵌式谐振腔构建了逻辑门，相比双环的逻辑门结构，其集成度更高，将逻辑运算结果以光的形式从特定的端口输出。此外，该结构可以利用微纳加工工艺制备，具有与CMOS工艺兼容、尺寸小巧、能耗低等优势，有助于提升光子器件的性能。
发明内容
本发明提出了一种基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器。有着体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰等优点。
基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，包括：信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、分束器、2线-4线译码器单元、数据采集和处理系统。
所述的译码器单元由第一直流电压源、第二直流电压源、第三直流电压源、第一电压转换电路、第二电压转换电路、第一光学逻辑光学逻辑非门、第二光学逻辑光学逻辑非门、第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器构成。
所述光学逻辑门结构均相同，其中包括：第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器，2×2耦合器之间用波导连接，形成单环镶嵌式谐振腔。其中，四个2×2耦合器的基本结构均为马赫-曾德尔干涉仪，在干涉仪的一臂上附上一层由电压控制的PZT作为应力光调制器，通过施加电压信号令PZT发生形变，从而改变该臂的臂长、调制所在光路中光的相位，进而控制相应耦合器的耦合系数。第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器的耦合系数分别由第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器控制。各光学逻辑门的不同之处在于通过对应力光调制器输入不同的电压信号改变其耦合系数以及输出端口的不同使得该结构实现不同的逻辑功能。
所述的信号发生器输出两路信号，一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，用于扫描激光器的波长，另一路送入数据采集和处理系统。两路待运算电压信号分别在第一直流电压源、第二直流电压源的位置输入，第一直流电压源输出的一路电压信号经第一电压转换电路输出对应电压信号送入第一光学逻辑非门，另一路经第三电压转换电路输出对应电压信号送入第三光学逻辑与非门和第四光学逻辑与非门；第二直流电压源输出的一路电压信号经第二电压转换电路输出对应电压信号送入第二光学逻辑非门，另一路经第四电压转换电路输出对应电压信号送入第二光学逻辑与非门和第四光学逻辑与非门；第三直流电压源输出的一路电压信号作为固定电压信号送入第一光学逻辑非门和第二光学逻辑非门。
电压转换电路可首先检测数字系统中电压信号的电平高低，并将其转化为对应的电压信号值，不同转换电路转换的对应电压值不同。
例如，待运算电压值低于1.35V时为低电平，大于2V时为高电平。信号通过第一电压转换电路时，当输入低电平将其转换为2.7V电压，当输入高电平将其转换为13.0V电压；信号通过第二电压转换电路时，当输入低电平将其转换为2.7V电压，当输入高电平将其转换为13.0V电压；信号通过第三电压转换电路时，当输入低电平将其转换为13.0V电压，当输入高电平将其转换为8.3V电压，信号通过第四电压转换电路时，当输入低电平将其转换为4.6V电压，当输入高电平将其转换为11.1V电压。第一光学逻辑非门输出的光信号通过第一光电探测器转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门和第二光学逻辑与非门；第二光学逻辑非门输出的光信号通过第二光电探测器转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门和第三光学逻辑与非门，最终由四个光学逻辑与非门将运算结果输出。
可调谐激光器输出的光通过衰减器与偏振控制器，经由分束器将激光分成六束分别经由第一光学逻辑光学逻辑非门、第二光学逻辑光学逻辑非门、第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门的第一2×2耦合器传送入单环镶嵌式谐振腔，在腔内经过第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器多次循环后，光学逻辑非门和光学逻辑与非门由单环镶嵌式谐振腔第一2×2耦合器的输出端输出逻辑门运算结果，第一光学逻辑非门输出结果送至第一光电探测器的接收端，第二光学逻辑非门输出结果送至第二光电探测器的接收端，第一光学逻辑与非门输出结果送至第三光电探测器的接收端，第二光学逻辑与非门输出结果送至第四光电探测器的接收端，第三光学逻辑与非门输出结果送至第五光电探测器的接收端，第四光学逻辑与非门输出结果送至第六光电探测器的接收端；第一光电探测器将第一光学逻辑非门的光输出转化为第一光学逻辑与非门和第二光学逻辑与非门逻辑运算系统可接受的电压信号，送入第一光学逻辑与非门和第二光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器，第二光电探测器将第二光学逻辑非门的光输出转化为第一光学逻辑与非门和第三光学逻辑与非门逻辑运算系统可接受的电压信号，送入第一光学逻辑与非门和第三光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器。第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门均由单环镶嵌式谐振腔的第一2×2耦合器的输出端分别送至第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号传入数据采集和处理系统显示计算结果。单环镶嵌式谐振腔中第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第四2×2耦合器三者互连构成内环，第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器四者连接后构成外环，外环长度大于内环。
作为优选，所述的可调谐激光器内含光隔离器，光隔离可选择器输出波长，便于数据传送。
作为优选，所述的谐振腔的内外环周长比例为1∶2，选用硅波导，硅波导横截面积大于光在硅波导中低损耗的传输和耦合的最小面积。
作为优选，所述的所有逻辑门中的第一2×2耦合器与第三2×2耦合器的耦合系数保持一致，第二2×2耦合器与第四2×2耦合器的耦合系数保持一致。相应的第一2×2耦合器与第三2×2耦合器的应力光调制器的电压信号一致，第二2×2耦合器与第四2×2耦合器的应力光调制器的电压信号也一致。
作为优选，所述的光电探测器的接收波段与激光器输出的波段相匹配。
作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态选择在光学模式的光学品质因数最高。
作为优选，所述的衰减器在系统进行逻辑运算时保持不变、系统运行时光功率在探测器的饱和功率范围以下，且整个系统的功耗最低。
本发明的实质性优点在于：体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰。
附图说明
图1为发明的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器示意图；
图2为2线-4线译码器单元结构；
图3为单环镶嵌式谐振腔第一光学逻辑非门结构；
图4为单环镶嵌式谐振腔第二光学逻辑非门结构；
图5为单环镶嵌式谐振腔第一光学逻辑与非门结构；
图6为单环镶嵌式谐振腔第二光学逻辑与非门结构；
图7为单环镶嵌式谐振腔第三光学逻辑与非门结构；
图8为单环镶嵌式谐振腔第四光学逻辑与非门结构；
图9为2线-4线译码器的运算真值表。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
如图1所示，本实施方式所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，它包括信号发生器1、可调谐激光器2、衰减器3、偏振控制器4、分束器5、译码器单元6、数据采集和处理系统12。如图2所示，所述的译码器单元包括第一直流电压源7-1、第二直流电压源7-2、第三直流电压源7-3、第一电压转换电路8-1、第二电压转换电路8-2、第三电压转换电路8-3、第四电压转换电路8-4、第一光学逻辑非门9-1、第二光学逻辑非门9-2、第一光学逻辑与非门10-1、第二光学逻辑与非门10-2、第三光学逻辑与非门10-3、第四光学逻辑与非门10-4、第一光电探测器11-1、第二光电探测器11-2、第三光电探测器11-3、第四光电探测器11-4、第五光电探测器11-5、第六光电探测器11-6。所述的第一光学逻辑非门如图3所示，由第一2×2耦合器9-1-1、第二2×2耦合器9-1-2、第三2×2耦合器9-1-3、第四2×2耦合器9-1-4以及第一应力光调制器9-1-5、第二应力光调制器9-1-6、第三应力光调制器9-1-7、第四应力光调制器9-1-8构成。所述的第二光学逻辑非门如图4所示，由第一2×2耦合器9-2-1、第二2×2耦合器9-2-2、第三2×2耦合器9-2-3、第四2×2耦合器9-2-4以及第一应力光调制器9-2-5、第二应力光调制器9-2-6、第三应力光调制器9-2-7、第四应力光调制器9-2-8构成。所述的第一光学逻辑与非门如图5所示，由第一2×2耦合器10-1-1、第二2×2耦合器10-1-2、第三2×2耦合器10-1-3、第四2×2耦合器10-1-4以及第一应力光调制器10-1-5、第二应力光调制器10-1-6、第三应力光调制器10-1-7、第四应力光调制器10-1-8构成。所述的第二光学逻辑与非门如图6所示，由第一2×2耦合器10-2-1、第二2×2耦合器10-2-2、第三2×2耦合器10-2-3、第四2×2耦合器10-2-4以及第一应力光调制器10-2-5、第二应力光调制器10-2-6、第三应力光调制器10-2-7、第四应力光调制器10-2-8构成。所述的第三光学逻辑与非门如图7所示，由第一2×2耦合器10-3-1、第二2×2耦合器10-3-2、第三2×2耦合器10-3-3、第四2×2耦合器10-3-4以及第一应力光调制器10-3-5、第二应力光调制器10-3-6、第三应力光调制器10-3-7、第四应力光调制器10-3-8构成。所述的第四光学逻辑与非门如图8所示，由第一2×2耦合器10-4-1、第二2×2耦合器10-4-2、第三2×2耦合器10-4-3、第四2×2耦合器10-4-4以及第一应力光调制器10-4-5、第二应力光调制器10-4-6、第三应力光调制器10-4-7、第四应力光调制器10-4-8构成。
所述的信号发生器1输出两路信号，一路送入可调谐激光器2的电压调谐端口，用于扫描激光器的波长，另一路送入数据采集和处理系统12。2线-4线译码器单元结构如图2所示，第一路待运算电压信号在第一直流电压源7-1的位置输入，经第一电压转换电路8-1送入第一光学逻辑非门9-1的第一应力光调制器9-1-5和第三应力光调制器9-1-7，经第三电压转换电路8-3送入第三光学逻辑与非门10-3的第一应力光调制器10-3-5和第三应力光调制器10-3-7以及第四光学逻辑与非门10-4的第一应力光调制器10-4-5和第三应力光调制器10-4-7；第二路待运算电压信号在第二直流电压源7-2的位置输入，经第二电压转换电路8-2送入第二光学逻辑非门9-2的第一应力光调制器9-2-5和第三应力光调制器9-2-7，经第四电压转换电路8-4送入第二光学逻辑与非门10-2的第二应力光调制器10-2-6和第四应力光调制器10-2-8以及第四光学逻辑与非门10-4的第二应力光调制器10-4-6和第四应力光调制器10-4-8；第三路待运算电压信号在第三直流电压源7-3的位置输入，作为固定电压信号送入第一光学逻辑非门9-1的第二应力光调制器9-1-6和第四应力光调制器9-1-8和第二光学逻辑非门9-2的第二应力光调制器9-2-6和第四应力光调制器9-2-8。电压转换电路可首先检测数字系统中电压信号的电平高低，并将其转化为对应的电压信号值，不同转换电路转换的对应电压值不同。例如，待运算电压值低于1.35V时为低电平，大于2V时为高电平。信号通过第一电压转换电路8-1时，当输入低电平将其转换为2.7V电压，当输入高电平将其转换为13.0V电压；信号通过第二电压转换电路8-2时，当输入低电平将其转换为2.7V电压，当输入高电平将其转换为13.0V电压；信号通过第三电压转换电路8-3时，当输入低电平将其转换为13.0V电压，当输入高电平将其转换为8.3V电压，信号通过第四电压转换电路8-4时，当输入低电平将其转换为4.6V电压，当输入高电平将其转换为11.1V电压。第一光学逻辑非门9-1输出的光信号通过第一光电探测器11-1转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门10-1的第一应力光调制器10-1-5和第三应力光调制器10-1-7和第二光学逻辑与非门10-2的第一应力光调制器10-2-5和第三应力光调制器10-2-7；第二光学逻辑非门9-2输出的光信号通过第二光电探测器11-2转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门10-1的第二应力光调制器10-1-6和第四应力光调制器10-1-8和第三光学逻辑与非门10-3的第二应力光调制器10-3-6和第四应力光调制器10-3-8，第一光学逻辑与非门10-1、第二光学逻辑与非门10-2、第三光学逻辑与非门10-3、第四光学逻辑与非门10-4输出光信号分别通过第一光电探测器11-1、第二光电探测器11-2、第三光电探测器11-3、第四光电探测器11-4转换为电信号，将运算结果输出到数据采集和处理系统12显示计算结果。
本发明的工作原理为:
基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其中第一光学逻辑非门、第二光学逻辑非门、第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门的基本结构单环镶嵌式谐振腔如图3、4、5、6、7、8所示，是由一个环形波导、一个嵌套在环形波导外的U形波导以及两个直波导构成，由可调谐激光器2发出的光通过衰减器3和偏振控制器4以及分束器5将激光分成六束相同的光分别送入第一光学逻辑非门9-1的第一2×2耦合器9-1-1、第二光学逻辑非门9-2的第一2×2耦合器9-2-1、第二光学逻辑异或门9-3的第一2×2耦合器9-3-1、第一光学逻辑与非门10-1的第一2×2耦合器10-1-1、第二光学逻辑与非门10-2的第一2×2耦合器10-2-1、第三光学逻辑与非门10-3的第一2×2耦合器10-3-1、第四光学逻辑与非门10-4的第一2×2耦合器10-4-1，通过对应力光调制器施加电压信号调控由马赫-曾德尔干涉仪构成的耦合器的耦合系数。这里采用两个50：50的分束器构成的马赫-曾德尔干涉仪去构建2×2耦合器，为了对其耦合系数进行控制，在马赫-曾德尔干涉仪某一臂上粘结应力光调制器(由底部电极、PZT、顶部电极构成)，底电极包含10nm厚的钛粘合层和100nm厚的铂层，PZT厚度2μm，顶部电极为厚度100nm的铂层，顶部电极宽度为5μm、应力光调制器长度为14μm。对应力光调制器施加电压信号可以改变干涉仪一臂中光的相位进而改变光的输出强度，最终实现对2×2耦合器耦合系数的调控。此外，第一光学逻辑非门9-1的第一2×2耦合器9-1-1和第三2×2耦合器9-1-3共用一个可变电压信号V1，耦合系数均为r1，第二2×2耦合器9-1-2和第四2×2耦合器9-1-4共用一个可变电压信号V2，耦合系数为r2；第二光学逻辑非门9-2的第一2×2耦合器9-2-1和第三2×2耦合器9-2-3共用一个可变电压信号V3，耦合系数均为r3，第二2×2耦合器9-2-2和第四2×2耦合器9-2-4共用一个可变电压信号V4，耦合系数为r4；第一光学逻辑与非门10-1的第一2×2耦合器10-1-1和第三2×2耦合器10-1-3共用一个可变电压信号V5，耦合系数均为r5，第二2×2耦合器10-1-2和第四2×2耦合器10-1-4共用一个可变电压信号V6，耦合系数为r6；第二光学逻辑与非门10-2的第一2×2耦合器10-2-1和第三2×2耦合器10-2-3共用一个可变电压信号V7，耦合系数均为r7，第二2×2耦合器10-2-2和第四2×2耦合器10-2-4共用一个可变电压信号V8，耦合系数为r8；第三光学逻辑与非门10-3的第一2×2耦合器10-3-1和第三2×2耦合器10-3-3共用一个可变电压信号V9，耦合系数均为r9，第二2×2耦合器10-3-2和第四2×2耦合器10-3-4共用一个可变电压信号V10，耦合系数为r10；第四光学逻辑与门10-4的第一2×2耦合器10-4-1和第三2×2耦合器10-4-3共用一个可变电压信号V11，耦合系数均为r11，第二2×2耦合器10-4-2和第四2×2耦合器10-4-4共用一个可变电压信号V12，耦合系数为r12，将输入电信号进行运算后转换为输出光信号。
通过计算可知，(1)当第一直流电压源7-1产生低电平时，信号通过第一电压转换电路8-1将其转换为2.7V电压，第一光学逻辑非门9-1的第一2×2耦合器9-1-1和第三2×2耦合器9-1-3的耦合系数r1为0.1，通过第三电压转换电路8-3将其转换为13.0V电压，第三光学逻辑与非门10-3的第一2×2耦合器10-3-1和第三2×2耦合器10-3-3的耦合系数r9为0.9，第四光学逻辑与非门10-4的第一2×2耦合器10-4-1和第三2×2耦合器10-4-3的耦合系数r11为0.9；当第一直流电压源7-1产生高电平时，信号通过第一电压转换电路8-1将其转换为13.0V电压，第一光学逻辑非门9-1的第一2×2耦合器9-1-1和第三2×2耦合器9-1-3的耦合系数r1为0.9，通过第三电压转换电路8-3将其转换为8.3V电压，第三光学逻辑与非门10-3的第一2×2耦合器10-3-1和第三2×2耦合器10-3-3的耦合系数r9为0.6，第四光学逻辑与非门10-4的第一2×2耦合器10-4-1和第三2×2耦合器10-4-3的耦合系数r11为0.6。(2)当第二直流电压源7-2产生低电平时，信号通过第二电压转换电路8-2将其转换为2.7V电压，第二光学逻辑非门9-2的第一2×2耦合器9-2-1和第三2×2耦合器9-2-3的耦合系数r3为0.1，通过第四电压转换电路8-4将其转换为4.6V电压，第二光学逻辑与非门10-2的第二2×2耦合器10-2-2和第四2×2耦合器10-3-4的耦合系数r8为0.2，第四光学逻辑与非门10-4的第二2×2耦合器10-4-2和第四2×2耦合器10-4-4的耦合系数r12为0.2；当第二直流电压源7-2产生高电平时，信号通过第二电压转换电路8-2将其转换为13.0V电压，第二光学逻辑非门9-2的第一2×2耦合器9-2-1和第三2×2耦合器9-2-3的耦合系数r3为0.9，通过第四电压转换电路8-4将其转换为11.1V电压，第二光学逻辑与非门10-2的第二2×2耦合器10-2-2和第四2×2耦合器10-3-4的耦合系数r8为0.8，第四光学逻辑与非门10-4的第二2×2耦合器10-4-2和第四2×2耦合器10-4-4的耦合系数r12为0.8。(3)第三直流电压源7-3输出14.8V电压，第一光学逻辑非门9-1的第二2×2耦合器9-1-2和第四2×2耦合器9-1-4的耦合系数r2为0.96，第二光学逻辑非门9-2的第二2×2耦合器9-2-2和第四2×2耦合器9-2-4的耦合系数r4为0.96。(4)当第一光学逻辑非门9-1运算结果输出的光透过率低于10％时，经过第一光电探测器11-1将光信号转换为13.0V电压，第一光学逻辑与非门10-1的第一2×2耦合器10-1-1和第三2×2耦合器10-1-3耦合系数r5为0.9，第二光学逻辑与非门10-2的第一2×2耦合器10-2-1和第三2×2耦合器10-2-3耦合系数r7为0.9；当第一光学逻辑非门9-1运算结果输出的光透过率高于70％时，经过第一光电探测器11-1将光信号转换为8.3V电压，第一光学逻辑与非门10-1的第一2×2耦合器10-1-1和第三2×2耦合器10-1-3耦合系数r5为0.6，第二光学逻辑与非门10-2的第一2×2耦合器10-2-1和第三2×2耦合器10-2-3耦合系数r7为0.6。(5)当第二光学逻辑非门9-2运算结果输出的光透过率低于10％时，经过第一光电探测器11-1将光信号转换为4.6V电压，第一光学逻辑与非门10-1的第二2×2耦合器10-1-2和第四2×2耦合器10-1-4耦合系数r6为0.2，第三光学逻辑与非门10-3的第二2×2耦合器10-3-2和第四2×2耦合器10-3-4耦合系数r10为0.2；当第二光学逻辑非门9-2运算结果输出的光透过率高于70％时，经过第一光电探测器11-1将光信号转换为11.1V电压，第一光学逻辑与非门10-1的第二2×2耦合器10-1-2和第四2×2耦合器10-1-4耦合系数r6为0.8，第三光学逻辑与非门10-3的第二2×2耦合器10-3-2和第四2×2耦合器10-3-4耦合系数r10为0.8。(6)基于单环镶嵌式谐振腔的光学系统的2线-4线译码器的透射光场可以通过传输矩阵理论进行计算，通过对应变片输入不同电压值产生不同的耦合系数组合从而获得不同透射强度的光强输出，光强的透射强度对应逻辑的0和1(这里设定光透过率低于15％对应逻辑0，光透过率高于60％对应逻辑1)。
在进行2线-4线译码器逻辑运算时，两个输入信号A1、A0分别在第一直流电压源7-1、第二直流电压源7-2产生，是待运算的信号,第一光学逻辑与非门10-1、第二光学逻辑与非门10-2、第三光学逻辑与非门10-3、第四光学逻辑与非门10-4输出结果为系统输出结果，/>是光透射强度(或光电探测器电压值)。因此，该系统最终实现了一个可变的电压输入信号的光学2线-4线译码器的功能。为了实现光学2线-4线译码器功能，使用了两个可变的电压信号分别对逻辑门中单环镶嵌式谐振腔的2×2耦合器的耦合系数进行调整和初始化，不同的输入状态对应不同的输出状态。
状态一：输入信号A1＝0，A0＝0；根据传输矩阵理论计算可得：
第一光学逻辑非门9-1的耦合系数r1＝0.1，r2＝0.96，光透过率约为79.15％；
第二光学逻辑非门9-2的耦合系数r3＝0.1，r4＝0.96，光透过率约为79.15％；
第一光学逻辑与非门10-1的耦合系数r5＝0.6，r6＝0.8，光透过率约为6.18％；
第二光学逻辑与非门10-2的耦合系数r7＝0.6，r8＝0.2，光透过率约为70.43％；
第三光学逻辑与非门10-3的耦合系数r9＝0.9，r10＝0.8，光透过率约为66.63％；
第四光学逻辑与非门10-4的耦合系数r11＝0.9，r12＝0.2，光透过率约为96.93％；
输出结果可以作为
状态二：输入信号A1＝0，A0＝1；根据传输矩阵理论计算可得：
第一光学逻辑非门9-1的耦合系数r1＝0.1，r2＝0.96，光透过率约为79.15％；
第二光学逻辑非门9-2的耦合系数r3＝0.9，r4＝0.96，光透过率约为0.91％；
第一光学逻辑与非门10-1的耦合系数r5＝0.6，r6＝0.2，光透过率约为0.43％；
第二光学逻辑与非门10-2的耦合系数r7＝0.6，r8＝0.8，光透过率约为6.18％；
第三光学逻辑与非门10-3的耦合系数r9＝0.9，r10＝0.2，光透过率约为96,93％；
第四光学逻辑与非门10-4的耦合系数r11＝0.9，r12＝0.8，光透过率约为66.63％；
输出结果可以作为
状态三：输入信号A1＝1，A0＝0；根据传输矩阵理论计算可得：
第一光学逻辑非门9-1的耦合系数r1＝0.9，r2＝0.96，光透过率约为0.91％；
第二光学逻辑非门9-2的耦合系数r3＝0.1，r4＝0.96，光透过率约为79.15％；
第一光学逻辑与非门10-1的耦合系数r5＝0.9，r6＝0.8，光透过率约为66.63％；
第二光学逻辑与非门10-2的耦合系数r7＝0.9，r8＝0.2，光透过率约为96.93％；
第三光学逻辑与非门10-3的耦合系数r9＝0.6，r10＝0.8，光透过率约为6.18％；
第四光学逻辑与非门10-4的耦合系数r11＝0.6，r12＝0.2，光透过率约为70.43％；
输出结果可以作为
状态四：输入信号A1＝1，A0＝1；根据传输矩阵理论计算可得：
第一光学逻辑非门9-1的耦合系数r1＝0.9，r2＝0.96，光透过率约为0.91％；
第二光学逻辑非门9-2的耦合系数r3＝0.9，r4＝0.96，光透过率约为0.91％；
第一光学逻辑与非门10-1的耦合系数r5＝0.9，r6＝0.2，光透过率约为96.93％；
第二光学逻辑与非门10-2的耦合系数r7＝0.9，r8＝0.8，光透过率约为66.63％；
第三光学逻辑与非门10-3的耦合系数r9＝0.6，r10＝0.2，光透过率约为70.43％；
第四光学逻辑与非门10-4的耦合系数r11＝0.6，r12＝0.8，光透过率约为6.18％；
输出结果可以作为
除了上述给出的示例电压状态，还可以选取其他的电压状态改变耦合器耦合系数，只要对应的耦合系数的在运算之后能够对应上述状态，我们就可以判定它可以实现2线-4线译码器功能。在实际的系统测试中，逻辑0对应的光透射率可以更低，逻辑1对应的光透射率可以更高。
根据计算方程和上述状态来看，我们可以设计出一个基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，具体步骤如下：
输入信号A1由第一直流电压源7-1产生，当电平为低电平时记为A1＝0，当电平为高电平时记为A1＝1；输入信号A0由第一直流电压源7-2产生，当电平为低电平时记为A0＝0，当电平为高电平时记为A0＝1。当A1＝0，A0＝0时，输出可以将其转化为光信号的“低电平”(透射率低于15％)，输出/>可以将其转化为光信号的“高电平”(透射率高于60％)，对应状态一；当A1＝0，A0＝1时，输出/>可以将其转化为光信号的“低电平”(透射率低于15％)，输出/>可以将其转化为光信号的“高电平”(透射率高于60％)，对应状态二；当A1＝1，A0＝0时，输出/>可以将其转化为光信号的“低电平”(透射率低于15％)，输出可以将其转化为光信号的“高电平”(透射率高于60％)，对应状态三；当A1＝1，A0＝1时，输出/>可以将其转化为光信号的“低电平”(透射率低于15％)，输出/>可以将其转化为光信号的“高电平”(透射率高于60％)，对应状态四；基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器的逻辑功能成功实现。其中各个光学逻辑门的逻辑功能转换是根据电压值的不同而改变的，该电压值是基于应力光调制器中底电极为10nm厚的钛层和100nm厚的铂层，PZT厚度2μm，顶部电极为厚度100nm的铂层，顶部电极宽度为5μm、应力光调制器长度为14μm的参数计算的。若改变参数，可根据电压导致的应变与相应的相位变化的关系计算出相应的电压值。这里规定的待运算的电压信号高低电平可能与实际输入电压不同，可首先检测其输入电压的电平值(小于1.35V为低电平，大于2V为高电平)，判断信号是高电平还是低电平，而后通过电压转换电路将其转化为对应的待运算的电压信号高低电平。输出逻辑1或0可通过透射光强判断，实际利用数据采集和处理系统记录2线-4线译码器的计算结果。

Claims (8)

1.基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：构建光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器的系统包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、分束器、译码器单元、数据采集和处理系统；
所述的译码器单元包括：第一直流电压源、第二直流电压源、第三直流电压源、第一电压转换电路、第二电压转换电路、第三电压转换电路、第四电压转换电路、第一光学逻辑非门、第二光学逻辑非门、第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器；
所述的第一光学逻辑非门包括：第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器；
所述的第二光学逻辑非门包括：由第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器构成；
所述的第一光学逻辑与非门包括：由第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器构成；
所述的第二光学逻辑与非门包括：由第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器构成；
所述的第三光学逻辑与非门包括：由第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器构成；
所述的第四光学逻辑与非门包括：由第一2×2耦合器、第二2×2耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一应力光调制器、第二应力光调制器、第三应力光调制器、第四应力光调制器构成；
所述的信号发生器输出两路信号，一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，用于扫描激光器的波长，另一路送入数据采集和处理系统；
2线-4线译码器单元结构的第一路待运算电压信号在第一直流电压源的位置输入，经第一电压转换电路送入第一光学逻辑非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器，经第三电压转换电路送入第三光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器以及第四光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器；第二路待运算电压信号在第二直流电压源的位置输入，经第二电压转换电路送入第二光学逻辑非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器，经第四电压转换电路送入第二光学逻辑与非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器以及第四光学逻辑与非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器；第三路待运算电压信号在第三直流电压源的位置输入，作为固定电压信号送入第一光学逻辑非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器和第二光学逻辑非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器；电压转换电路可首先检测数字系统中电压信号的电平高低，并将其转化为对应的电压信号值，不同转换电路转换的对应电压值不同；
第一光学逻辑非门输出的光信号通过第一光电探测器转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器和第二光学逻辑与非门的第一应力光调制器和第三应力光调制器；第二光学逻辑非门输出的光信号通过第二光电探测器转换为相应电压值送入第一光学逻辑与非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器和第三光学逻辑与非门的第二应力光调制器和第四应力光调制器，第一光学逻辑与非门、第二光学逻辑与非门、第三光学逻辑与非门、第四光学逻辑与非门输出光信号分别通过第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器转换为电信号，将运算结果输出到数据采集和处理系统显示计算结果。
2.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的4线-2线编码器，其特征在于：
当第一直流电压源产生低电平时，信号通过第一电压转换电路将其转换为2.7V电压，第一光学逻辑非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r1为0.1，通过第三电压转换电路将其转换为13.0V电压，第三光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r9为0.9，第四光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r11为0.9；当第一直流电压源产生高电平时，信号通过第一电压转换电路将其转换为13.0V电压，第一光学逻辑非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r1为0.9，通过第三电压转换电路将其转换为8.3V电压，第三光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r9为0.6，第四光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r11为0.6；
当第二直流电压源产生低电平时，信号通过第二电压转换电路将其转换为2.7V电压，第二光学逻辑非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r3为0.1，通过第四电压转换电路将其转换为4.6V电压，第二光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r8为0.2，第四光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r12为0.2；当第二直流电压源产生高电平时，信号通过第二电压转换电路将其转换为13.0V电压，第二光学逻辑非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器的耦合系数r3为0.9，通过第四电压转换电路将其转换为11.1V电压，第二光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r8为0.8，第四光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r12为0.8；
第三直流电压源输出14.8V电压，第一光学逻辑非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r2为0.96，第二光学逻辑非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器的耦合系数r4为0.96；
当第一光学逻辑非门运算结果输出的光透过率低于10％时，经过第一光电探测器将光信号转换为13.0V电压，第一光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器耦合系数r5为0.9，第二光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器耦合系数r7为0.9；当第一光学逻辑非门运算结果输出的光透过率高于70％时，经过第一光电探测器将光信号转换为8.3V电压，第一光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器耦合系数r5为0.6，第二光学逻辑与非门的第一2×2耦合器和第三2×2耦合器耦合系数r7为0.6；
当第二光学逻辑非门运算结果输出的光透过率低于10％时，经过第一光电探测器将光信号转换为4.6V电压，第一光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器耦合系数r6为0.2，第三光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器耦合系数r10为0.2；当第二光学逻辑非门运算结果输出的光透过率高于70％时，经过第一光电探测器将光信号转换为11.1V电压，第一光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器耦合系数r6为0.8，第三光学逻辑与非门的第二2×2耦合器和第四2×2耦合器耦合系数r10为0.8；
基于单环镶嵌式谐振腔的光学系统的2线-4线译码器的透射光场通过传输矩阵理论进行计算，通过对应变片输入电压值产生的耦合系数组合从而获得不同透射强度的光强输出，光强的透射强度对应逻辑的0和1。
3.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：设定光透过率低于15％对应逻辑0，光透过率高于60％对应逻辑1。
4.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：所述的单环镶嵌式谐振腔的光学系统中的内外环周长比例为1∶2，选用硅波导，其横截面积为400nm×300nm大于等于光在其中低损耗的传输和耦合的最小面积值。
5.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：待运算电压信号输入之前经电压转换电路模块，该模块实现电平检测和电压转换；光电探测器及其转换电路实现输出光信号转化为电信号并通过电压转换电路模块转换为相应电压值。
6.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：2×2耦合器分别由一个环形波导、一个嵌套在环形波导外的U形波导以及两个直波导构成。
7.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：可调谐激光器内含光隔离器。
8.根据权利要求1所述的基于光学单环镶嵌式谐振腔的2线-4线译码器，其特征在于：所述的衰减器在系统进行逻辑运算时保持不变、系统运行时光功率在探测器的饱和功率范围以下。
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