CN114815331B - 一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，包括六个微环谐振器和三个Y分支耦合器，该光学全加器导向逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，本发明光学全加器导向逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在微波光子通信与光子计算机中发挥重要的作用。

Description

一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件
技术领域
本发明属于光学逻辑计算领域，特别涉及一种适用于微波光子通信和光计算领域的光学全加器导向逻辑器件。
背景技术
在过去的50年里，硅基集成电路凭借其小体积、低成本以及良好的扩展性和稳定性等优势一直主导着电子信息产业，并为人们的生活带来了翻天覆地的变化。1965年，Intel公司创始人Gordon Moore曾预言，当产品价格不变时，集成电路芯片单位面积上可容纳的电子元器件数目每隔18-24个月便会增长一倍，这就是著名的Moore定律。迄今为止，集成电路的发展大体遵循摩尔于1965年总结的集成电路发展规律，但是随着人们日常生活中所面临的待处理的信息量大大增加，如：视频会议、可视电话、智能家居、物联网等。2010年以来，我国网络带宽以40％左右的年增长率飞速增长，同时随着随着网络通信容量的持续增长以及“万物互联”概念的提出，实际应用中对计算和信息处理速率的需求也在不断攀升。遗憾的是，在GHz量级以上的高速应用场景下，集成电路的功耗和性能会随着计算和信息处理速率的提升而快速恶化。并且，随着Moore定律的延续，传统的电域计算和信息处理技术也已经慢慢地接近速率极限，很难满足未来百GHz乃至THz超高速的应用需求。微波光子计算和光信息处理作为代替电计算和信息处理的最有效的实现途径之一，成为研究的热门并受到科研人员的高度重视，作为微波光子计算与光信息处理的最基本的构造单元之一——光学逻辑门也正逐渐成为科研人员的研究热点。
历史上曾经有两次大规模的光逻辑与光计算的研究热潮。不幸的是，集成光学在当时还没有得到充分发展，而基于体光学元件实现的光计算与信息处理系统由于其庞大的体积以及极低的可编程性，使得与具备高度集成、优越可编程性能的微电子技术相比优势非常少。并且，虽然硅作为集成电路的主导材料取得了显著的成功，但是人们对于硅是否能够作为光子集成的主导材料仍持怀疑态度，这主要是由于硅晶体结构中心对称，不像LiNbO3等其他非对称晶体材料一样具有Pockels效应，不能直接用于高速电光调制。二十一世纪以来，与CMOS工艺高度兼容的硅基光子学得到了长足的发展。时至今日，在微波光子通讯与光信息处理产业的推动下，微波光子集成器件性能已经有了极大地提升，工作模式也越来越灵活，能够实现的功能越来越丰富。近年来，随着硅基集成电路的不断发展和广泛应用，微波光子集成技术也逐渐加快了发展的步伐，取得了很大的进展。它集“光、机、电、计、材”等学科于一身，有机结合大规模集成电路和化合物微波光子器件的制造工艺，共同构成一门高新技术。基于这些微波光子集成器件的光信息处理研究重新获得了重视。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，不需要使用强激光作为泵浦光，易于操作。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，包括用绝缘体上的半导体材料制成的六个微环谐振器和三根Y分支耦合器；第一～第四以及第六微环谐振器为平行微环谐振器，第五微环谐振器为垂直微环谐振器；
Y分支耦合器具有一个干路段和两个支路段；
平行微环谐振器包括硅基纳米线微环波导和两根平行直波导，其中，一根直波导的两端分别为输入波导和输出波导，另一根直波导的两端分别为下载波导和加载波导；硅基纳米线微环波导位于两根平行直波导之间；
垂直微环谐振器包括硅基纳米线微环波导和两根相互垂直且不相交的直波导，其中，一根直波导的靠近另一根直波导的一端与一光卸载端口连接，另一端为加载波导，另一根直波导的两端分别为输入波导和输出波导；硅基纳米线微环波导位于两根相互垂直的直波导的夹角处；
第一Y分支耦合器的干路段为信号输入端，第一Y分支耦合器的第一支路段与第一微环谐振器的下载波导连接，第一Y分支耦合器的第二支路段与第三微环谐振器的下载波导连接，第三微环谐振器的加载波导与第四微环谐振器的下载波导连接，第四微环谐振器的加载波导与第三Y分支耦合器的第二支路段连接，第三微环谐振器的输出波导与第四微环谐振器的输入波导连接，第一微环谐振器的加载波导与第二微环谐振器的加载波导连接，第一微环谐振器的输入波导、第二微环谐振器的下载波导、第二微环谐振器的输入波导以及第五微环谐振器的输入波导相连接，第二微环谐振器的输出波导与第二Y分支耦合器的干路段连接，第二Y分支耦合器的第一支路段与第五微环谐振器的加载波导连接，第二Y分支耦合器的第二支路段与第六微环谐振器的输入波导连接，第六微环谐振器的输出波导与第三Y分支耦合器的第一支路段连接，第五微环谐振器的输出波导为第一信号输出端，第三Y分支耦合器的干路段为第二信号输出端，第一微环谐振器的输出波导和第六微环谐振器的下载波导分别与各自对应的光卸载端口连接，所述光卸载端口为弯曲渐变结构。
进一步的，所述微环谐振器均带有硅基电光调制器或硅基热光调制器。
本发明具有如下优点：
1、利用光的自然特性实现的光学全加器导向逻辑器件代替传统的电学逻辑器件，没有传统电学器件的电磁效应以及寄生电阻电容的影响，从而可以实现高速大容量的信息处理。
2、采用的是绝缘衬底上的硅材料SOI，是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si(折射率为3.45)，包层是SiO2(折射率为1.45)，这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小，利于大规模集成。
3、本发明主要由六个微环谐振器、三个Y分支耦合器和多根弯曲波导构成，整体器件损耗较小。
4、采用现有的CMOS工艺制成，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与其他元件整合。
附图说明
图1是本发明实施例中光学全加器导向逻辑器件的结构示意图。
图2是光学全加器导向逻辑器件中Y分支耦合器的结构示意图。
图3是光学全加器导向逻辑器件中平行微环谐振器的结构示意图。
图4是光学全加器导向逻辑器件中垂直微环谐振器的结构示意图。
图5是光学全加器导向逻辑器件中带硅基热光调制器的微环谐振器的电极的结构示意图。
图6是光学全加器导向逻辑器件中带硅基电光调制器的微环谐振器的电极的结构示意图。
图中：1.第一Y分支耦合器，2.第一MRR(MRR即微环谐振器)，3.第二MRR，4.第二Y分支耦合器，5.第三MRR，6.第四MRR，7.第五MRR，8.第六MRR，9.第三Y分支耦合器，100.Si衬底，110.SiO2层，120.硅基光波导，130.发热电极；11、12、13分别为第一Y分支耦合器各端口的波导(以下称11波导、12波导、13波导)，21、22、23、24分别为第一MRR各端口的波导(以下称21波导、22波导、23波导、24波导)，R1为第一MRR的硅基纳米线微环波导(以下称R1波导)，其他命名规则与以上相同，这里不再赘述。T1、T2、T3、T4为不同位置的光卸载端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，包括：
结构如图2所示的第一Y分支耦合器1，第一Y分支耦合器1包括11波导、12波导和13波导，12波导和13波导的一端均与11波导一端相连接，构成Y形分支耦合器；第二、第三Y分支耦合器构成与第一Y分支耦合器相同，各个波导的连接关系在图1中有详细约束，这里不再赘述；
结构如图3所示的第一MRR：包括R1波导和两个相互平行了两根直波导构成，R1波导位于两根平行直波导之间。21波导为输入波导，22波导为输出波导，23波导为下载波导，24波导为加载波导；第一MRR带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；第二MRR、第三MRR、第四微MRR、第六MRR均为平行微环谐振器与第一MRR相同，各个波导的连接关系在图1中有详细约束，这里不再赘述；
结构如图4所示的第五MRR：R5波导和两根相互垂直的直波导构成，为了避免交叉73波导的另一端设计为小弯曲渐变结构，作为光卸载端口。R5波导位于两根相互垂直的直波导之间。71波导为输入波导，72波导为输出波导，73波导为加载波导，73波导另一端为光卸载端口T3；第五MRR带有硅基电光调制器或硅基热光调制器，各个波导的连接关系在图1中有详细约束，这里不再赘述；
硅基热光调制器的微环谐振器的电极，如图5所示，Si衬底100上有SiO2层110，SiO2层110上有硅基光波导120，在硅基光波导120的上方铺设了一层发热电极130。在发热电极130的引线上施加电压，会有电流通过电极，该电流会产生热量通过热辐射的方式改变硅基光波导120的温度，从而改变环形波导的有效折射率Neff，继而改变微环谐振器的谐振波长，实现动态滤波。
硅基电光调制器的调制原理图，如图6所示。从图5和图6可以看出硅基热光调制器和硅基电光调制器的调制原理是不相同的。硅基热光调制器是依靠改变硅基光波导的温度来改变波导的有效折射率。硅基电光调制器是依靠改变轨迹光波导中的载流子浓度来改变波导的折射率；由于热辐射的速度远远慢于载流子湮灭的速度。所以电光调制的速度远远大于热光调制的速度，但因为对波导掺杂的原因，电光调制器的结构要比热光调制器的结构更复杂，制作过程也更复杂。故一般在需要高速的情形下使用硅基电光调制，而在对器件响应速度要求不高的场合采用硅基热光调制。
R1波导、R2波导、R3波导、R4波导、R5波导和R6波导的结构参数相同，当入射的光信号满足谐振条件(m×λ＝Neff×2π×r)时，光信号会通过倏逝场耦合作用从波导耦合进入微环，此时，如有除入射以外的光波导存在，微环中的光信号同样会通过倏逝场耦合作用从微环耦合进波导；谐振条件(m×λ＝Neff×2π×r)中的m表示微环谐振级次，其值为正整数，λ为谐振波长，Neff为波导的有效折射率，r为微环的半径，定义固有谐振波长λ0为工作波长。
下面通过分析光信号在图3和图4所示的微环谐振器以及图2所示的Y分支耦合器中光的传输过程，简要说明本发明光学全加器导向逻辑器件的工作原理：
对于图2所示的第一Y分支耦合器：当光信号从11波导输入，通过第一Y分支耦合器将光信号均分为两束，分别从12波导和13波导输出。由于光的可逆特性，第二、第三Y分支耦合器的工作原理相同，这里不再赘述。
对于图3所示的第一MRR：假定光信号由23波导输入，当光信号经过耦合区(23波导和24波导与R1波导距离最近的一个范围)时，光信号通过倏逝场耦合作用进入R1波导中，R1波导中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入21波导中。对于满足谐振条件(m×λ＝Neff×2π×r)的光信号，在从R1波导耦合到24波导时，由于两路光信号的相位差导致的相消干涉，会在24波导中发生消光现象；而不满足该谐振条件的光由于相位差不能满足相消干涉条件，故光信号可以看作毫无影响的通过耦合区从24波导输出。假定光信号由21波导输入，对于满足谐振条件的光信号将会从23波导输出，在22波导中发生消光现象；对于不满足谐振条件的光信号，将会在22波导输出。第二MRR、第三MRR、第四MRR、第六MRR的工作原理与第一MRR相同，这里不再赘述。
对于图4所示的第五MRR：假定光信号由71波导输入，当光信号经过耦合区时，对于满足谐振条件的光信号，在72波导中检测不到谐振波长处的光波，光信号传至光卸载端口T3；而不满足谐振条件的光可以看作毫无影响的通过耦合区在72波导输出。当光信号由73输入时，满足谐振条件的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入72波导输出；而不满足谐振条件的光可以看作毫无影响的通过耦合区并传至光卸载端口T3。
上面分析的是静态的微环谐振器工作特性，总结而言，微环谐振器会固定的是某些波长(满足谐振条件的波长)的信号被下载，某些波长的信号直通(不满足谐振条件的波长)；本器件工作时，还需要微环谐振器的谐振波长动态可调。由谐振条件(m×λ＝Neff×2π×r)看出，改变微环谐振器的半径r和有效折射率Neff都将改变微环谐振器的谐振波长。此处通过调节微环波导的有效折射率Neff来改变微环谐振器的谐振波长。有效折射率与制造微环谐振器材料的折射率有关，而改变该材料的折射率有两种方法：一是对材料加热，改变材料的温度，利用热光效应改变材料折射率，即上述的硅基热光调制器；二是利用电光效应通过载流子注入改变材料的折射率，即上述的硅基电光调制器。由于热调制速度受热对流速度影响，而电调制速度取决于载流子寿命，故电调制速度较快，在高速系统中采用电调制。
下面以热调制机构为例说明本发明光学全加器导向逻辑器件的工作过程：
首先，定义第一MRR、第二MRR、第三MRR、第四MRR、第五MRR以及第六MRR的谐振波长λA为工作波长。
对于图1所示的光学全加器导向逻辑器件，在光信号输入端input输入处于工作波长的连续信号光cw，然后分别对六个微环谐振器加上调制电压对硅基纳米线微环加热从而改变微环谐振器的谐振波长，设定不加电压时为低电平用逻辑“0”表示，加电压时为高电平用逻辑“1”表示，并且第一MRR、第二MRR、第三MRR、第四微MRR、第五微MRR以及第六MRR在工作波长处谐振(第一MRR和第四MRR所加调制电压完全同步；第二MRR和第五微MRR所加调制电压完全同步；第三MRR和第六微MRR所加调制电压完全同步)。也就是说，当对微环谐振器加电压时，微环谐振器不谐振。并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，该光学全加器导向逻辑器件共有八种工作状态。通过控制加载电压的逻辑来决定光信号在器件中的走向，最终通过监测端口X、Y中光信号的强度来实现状态的切换。
下面结合结构图详细分析本发明光学全加器导向逻辑器件的工作原理：
当第一MRR(第四MRR)加低电平(逻辑“0”)、第二MRR(第五MRR)加低电平(逻辑“0”)、第三MRR(第六MRR)也加低电平(逻辑“0”)时，这时第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)都处于谐振状态，在光的输出端口X和Y都没有光输出(逻辑值都为“0”)；
当第一MRR(第四MRR)加低电平加低电平(逻辑“0”)、第二MRR(第五MRR)加低电平(逻辑“0”)、第三MRR(第六MRR)加高电平(逻辑“1”)时，这时第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)处于谐振状态，第三MRR(第六MRR)处于非谐振状态，在光的输出端口X有光输出(逻辑值为“1”)，在端口Y没有光输出(逻辑值为“0”)；
当第一MRR(第四MRR)加低电平(逻辑“0”)、第二MRR(第五MRR)加高电平(逻辑“1”)、第三MRR(第六MRR)加低电平(逻辑“0”)时，这时第一MRR(第四MRR)、第三MRR(第六MRR)处于谐振状态，第二MRR(第五MRR)处于非谐振状态，在光的输出端口X有光输出(逻辑值为“1”)，在端口Y没有光输出(逻辑值为“0”)；
当第一MRR(第四MRR)加低电平(逻辑“0”)、第二MRR(第五MRR)加高电平(逻辑“1”)、第三MRR(第六MRR)加高电平(逻辑“1”)时，这时第一MRR(第四MRR)处于谐振状态，第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)处于非谐振状态，在光的输出端口X没有光输出(逻辑值都为“0”)，在端口Y有光输出(逻辑值为“1”)；
当第一MRR(第四MRR)加高电平(逻辑“1”)、第二MRR(第五MRR)加低电平(逻辑“0”)、第三MRR(第六MRR)加低电平(逻辑“0”)时，这时第一MRR(第四MRR)处于非谐振状态，第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)处于谐振状态，在光的输出端口X有光输出(逻辑值为“1”)，在端口Y没有光输出(逻辑值为“0”)；
当第一MRR(第四MRR)加高电平(逻辑“1”)、第二MRR(第五MRR)加低电平(逻辑“0”)、第三MRR(第六MRR)加低高平(逻辑“1”)时，这时第一MRR(第四MRR)、第三MRR(第六MRR)处于非谐振状态，第二MRR(第五MRR)处于谐振状态，在光的输出端口X没有光输出(逻辑值都为“0”)，在端口Y有光输出(逻辑值为“1”)；
当第一MRR(第四MRR)加高电平(逻辑“1”)、第二MRR(第五MRR)加高电平(逻辑“1”)、第三MRR(第六MRR)加低电平(逻辑“0”)时，这第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)处于非谐振状态，第三MRR(第六MRR)处于谐振状态，在光的输出端口X没有光输出(逻辑值都为“0”)，在端口Y有光输出(逻辑值为“1”)；
当第一MRR(第四MRR)加高电平(逻辑“1”)、第二MRR(第五MRR)加高电平(逻辑“1”)、第三MRR(第六MRR)也加高电平(逻辑“1”)时，这时第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)都处于非谐振状态，在光的输出端口X、Y都有光输出(逻辑值都为“1”)。
本发明应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件可以完成三值加法计算的真值表如表1所示。
表1光学全加器导向逻辑器件的真值表
A B C X Y
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1
注：表1中的A、B、C分别表示对第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)所施加的信号。
可以看出，本发明光学逻辑器件输入的是三个待计算的一位二进制高低电平电信号和一个处于工作波长处的连续激光信号，输出的是经过三值加法计算的光信号；因此本光学导向逻辑器件可以完成三个一位二进制数的加法运算。各微环谐振器的基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器光开关，待计算的3位电信号对各自微环谐振器的作用方式如下：设定第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)在未加调制的谐振波长为工作波长，因此当加在第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)上的调制电信号为高电平时，微环谐振器的谐振频率发生偏移，在输入激光的波长处失谐；当加在第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)上的调制电信号为低电平时，微环谐振器在输入激光的波长处谐振，光信号被下载。在本光学全加器导向逻辑器件的一个光学端口输入特定工作波长的连续激光，待计算的3位高低电平电信号分别作用于第一MRR(第四MRR)、第二MRR(第五MRR)、第三MRR(第六MRR)，在两个信号输出端口就以光逻辑的形式输出与3位输入的电信号相对应的加法计算结果，从而完成了光学全加器逻辑运算的功能。
本发明光学全加器导向逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，本发明光学全加器导向逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在微波光子通信与光子计算机中发挥重要的作用。
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，以上所述的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，同等替换，改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，其特征在于，包括用绝缘体上的半导体材料制成的六个微环谐振器和三根Y分支耦合器；第一~第四以及第六微环谐振器为平行微环谐振器，第五微环谐振器为垂直微环谐振器；
Y分支耦合器具有一个干路段和两个支路段；
平行微环谐振器包括硅基纳米线微环波导和两根平行直波导，其中，一根直波导的两端分别为输入波导和输出波导，另一根直波导的两端分别为下载波导和加载波导；硅基纳米线微环波导位于两根平行直波导之间；
垂直微环谐振器包括硅基纳米线微环波导和两根相互垂直且不相交的直波导，其中，一根直波导的靠近另一根直波导的一端与一光卸载端口连接，另一端为加载波导，另一根直波导的两端分别为输入波导和输出波导；硅基纳米线微环波导位于两根相互垂直的直波导的夹角处；
第一Y分支耦合器的干路段为信号输入端，第一Y分支耦合器的第一支路段与第一微环谐振器的下载波导连接，第一Y分支耦合器的第二支路段与第三微环谐振器的下载波导连接，第三微环谐振器的加载波导与第四微环谐振器的下载波导连接，第四微环谐振器的加载波导与第三Y分支耦合器的第二支路段连接，第三微环谐振器的输出波导与第四微环谐振器的输入波导连接，第一微环谐振器的加载波导与第二微环谐振器的加载波导连接，第一微环谐振器的输入波导、第二微环谐振器的下载波导、第二微环谐振器的输入波导以及第五微环谐振器的输入波导相连接，第二微环谐振器的输出波导与第二Y分支耦合器的干路段连接，第二Y分支耦合器的第一支路段与第五微环谐振器的加载波导连接，第二Y分支耦合器的第二支路段与第六微环谐振器的输入波导连接，第六微环谐振器的输出波导与第三Y分支耦合器的第一支路段连接，第五微环谐振器的输出波导为第一信号输出端，第三Y分支耦合器的干路段为第二信号输出端，第一微环谐振器的输出波导和第六微环谐振器的下载波导分别与各自对应的光卸载端口连接，所述光卸载端口为弯曲渐变结构。
2.根据权利要求1所述的一种应用于微波光子的光学全加器导向逻辑器件，其特征在于，所述微环谐振器均带有硅基电光调制器或硅基热光调制器。
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