CN212276191U

CN212276191U - 基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件

Info

Publication number: CN212276191U
Application number: CN202021381614.6U
Authority: CN
Inventors: 刘子龙; 杨旭; 韩威; 闫瑞涛; 吴海洲; 王鹏毅
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2030-07-14

Abstract

本实用新型提供了一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，属于光学逻辑计算技术领域。该器件包括五个微环谐振器和两个Y分支耦合器。该光学Peres门可逆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，本实用新型器件的制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在光子计算机中发挥重要的作用。

Description

基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件

技术领域

本实用新型属于光学逻辑计算技术领域，特别是指一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，可用于光通信和光计算领域。

背景技术

随着科技的发展，集成电路已经从最初的晶体管时代进入以高集成度、大规模及超低功耗为特征的时代。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，关于集成电路集成度和体积的发展关系做出了详细预言，即摩尔定律。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。传统的电子学的信息处理与计算无论是在功耗还是在速度方面都存在很大的弊端。光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，作为光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。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，在光通讯与光信息处理产业的推动下，集成光学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。基于这些集成光学器件的光信息处理研究重新获得了重视。

随着信息技术的发展，近几年不断有业内人士表示摩尔定律将在数年内失效，归纳其原因主要有两点：（1）随着集成度的不断提高，晶体管的尺寸将达到原子级别，因而电子的波粒二象性会显现出量子效应；（2）随着工作频率和集成度的提升，器件内部产生的热量也会越来越多，最终将达到芯片所能承受的极限。这些问题将成为严重制约硅片发展的瓶颈。

R. Landauer最早提出了能耗的问题主要来源于计算的不可逆，并在1970年与同事 R. W. Keyes已经证明了不可逆计算每一次运算都会引起比特位的丢失，并且每丢失一比特信息就会有kTln2热能散发，这种热量的产生在一个庞大的系统中是不容忽略的。同时，能耗产生的热量会极大地限制芯片的性能和计算速度。由此可见，要想杜绝热量的产生就必须解决计算过程中信息位擦除和丢失的问题，也就是说保证在计算过程中不会有信息丢失。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，该器件在运算过程中就不会存在信息的丢失，能够避免由信息丢失所带来的能耗，此外，该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，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，包括第一、第二Y分支耦合器以及第一～第五微环谐振器，所述Y分支耦合器包括一根干路直波导以及从干路直波导的一端延伸出的两根分支直波导，所述微环谐振器包括硅基纳米线微环、调制器，以及位于硅基纳米线微环两侧的两根平行的直波导，硅基纳米线微环与两根平行的直波导构成谐振结构；

第一Y分支耦合器的干路直波导作为输入端，第一Y分支耦合器的第一分支直波导连接第一微环谐振器中第二直波导的一端，第一微环谐振器中第二直波导的另一端连接第二Y分支耦合器的干路直波导，第二Y分支耦合器的第一分支直波导通过U型波导连接第二微环谐振器中第二直波导的一端，第二微环谐振器中第二直波导的另一端作为光卸载端口，第一微环谐振器中第一直波导的一端作为加载光波导，第一微环谐振器中第一直波导的另一端通过U型波导连接第二微环谐振器中第一直波导的一端，第二微环谐振器中第一直波导的另一端作为第二输出端口；第二Y分支耦合器的第二分支直波导作为第一输出端口；

第一Y分支耦合器的第二分支直波导连接第三微环谐振器中第一直波导的一端，第三微环谐振器中第一直波导的另一端连接第四微环谐振器中第一直波导的一端，第四微环谐振器中第一直波导的另一端通过U型波导连接第五微环谐振器中第一直波导的一端，第五微环谐振器中第一直波导的另一端作为光卸载端口；第四微环谐振器中第二直波导的一端作为加载光波导，第四微环谐振器中第二直波导的另一端连接第三微环谐振器中第二直波导的一端，第三微环谐振器中第二直波导的另一端通过U型波导连接第五微环谐振器中第二直波导的一端，第五微环谐振器中第二直波导的另一端作为第三输出端口。

进一步的，所述Y分支耦合器中的干路直波导和分支直波导、所述微环谐振器中的直波导和硅基纳米线微环，以及所述U型波导均为硅基光波导。

进一步的，所述硅基纳米线微环为脊型硅基光波导。

进一步的，所述调制器为硅基电光调制器或硅基热光调制器。

进一步的，所述调制器为硅基电光调制器；所述硅基电光调制器包括设于硅基纳米线微环中心的圆形的P掺杂区，以及设于硅基纳米线微环外部无直波导处的弧形的N掺杂区，P掺杂区与硅基纳米线微环同心，N掺杂区的外圆也与硅基纳米线微环同心。

本实用新型所取得的有益效果在于：

1、本实用新型利用光的自然特性实现了光学Peres门可逆逻辑器件，代替了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、本实用新型利用光的自然特性实现的光学Peres门可逆逻辑器件，代替了传统的逻辑器件，可以实现Peres门逻辑运算，且没有传统逻辑器件比特位丢失引起的热能散发，从而可以大大降低计算机在逻辑上的能耗。

3、本实用新型中的硅基光波导可采用绝缘衬底上的硅材料SOI，该技术是在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，弯曲半径可以很小，有利于大规模集成。

4、本实用新型仅使用五个微环谐振器、两个Y分支耦合器和四根弯曲波导即可实现，其中没有交叉，故整体器件损耗较小。

5、本实用新型可采用现有的CMOS工艺制作，制成的器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与其他元件整合。

附图说明

图1是本实用新型实施例中光学Peres门可逆逻辑器件的结构示意图。

图2是图1中第一Y分支耦合器的结构示意图。

图3是图1第一微环谐振器的结构示意图。

图4是图1第二微环谐振器的结构示意图。

图5是图1第二Y分支耦合器的结构示意图。

图6是图1第三微环谐振器的结构示意图。

图7是图1第四微环谐振器的结构示意图。

图8是图1第五微环谐振器的结构示意图。

图9是本实用新型实施例中一种微环谐振器的结构示意图。

图10是本实用新型实施例中另一种微环谐振器的结构示意图。

图11是图10中硅基纳米线微环部分的剖视图。

图中：1、第一Y分支耦合器，2、第一微环谐振器，3、第二微环谐振器，4、第二Y分支耦合器，5、第三微环谐振器，6、第四微环谐振器，7、第五微环谐振器，8、Si衬底，9、SiO₂层，10、硅基纳米线微环，101、发热电极，11、第一输入光波导，12、第一Y分支第一直通光波导，13、第一Y分支第二直通光波导，21、第一下载光波导，22、第一加载光波导，23、第二输入光波导，24、第一直通光波导，31、第三输入光波导，32、第二输出光波导，33、第二下载光波导，34、第二加载光波导，41、第四输入光波导，42、第二Y分支直通光波导，43、第一输出光波导，51、第五输入光波导，52、第三直通光波导，53、第三下载光波导，54、第三加载光波导，61、第六输入光波导，62、第四直通光波导，63、第四下载光波导，64、第四加载光波导，71、第五直通光波导，72、第七输入光波导，73、第五加载光波导，74、第三输出光波导，T1、T2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实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其包括：

第一Y分支耦合器1，如图2所示，第一Y分支耦合器1包括第一直波导、第一分支直波导和第二分支直波导，第一分支直波导的一端和第二分支直波导的一端均与第一直波导的一端相连接，构成Y形分支耦合器，第一直波导上设有第一输入光波导11，第一分支直波导上设有第一Y分支第一直通光波导12，第二分支直波导上设有第一Y分支第二直通光波导13；

第一微环谐振器2，如图3所示，第一微环谐振器2包括第一硅基纳米线微环R1、第二直波导和第三直波导；第二直波导和第三直波导平行设置，第一硅基纳米线微环R1位于第二直波导和第三直波导之间，第二直波导与第一分支直波导相连接，该第二直波导上、沿远离第二分支直波导的方向依次设有第二输入光波导23和第一直通光波导24；第三直波导上设有第一下载光波导21和第一加载光波导22；第一微环谐振器2带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

第二微环谐振器3，如图4所示，第二微环谐振器3包括第二硅基纳米线微环R2、第四直波导和第五直波导，第四直波导与第五直波导相平行，第四直波导与第三直波导相连接，第二硅基纳米线微环R2位于第四直波导和第五直波导之间；第四直波导上、沿远离第一分支直波导的方向依次设有第三输入光波导31和第二输出光波导32；第二微环谐振器3带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

第二Y分支耦合器4，如图5所示，第二Y分支耦合器4包括第六直波导、第三分支直波导和第四分支直波导，第六直波导的一端与第二直波导的另一端相连接，第三分支直波导的一端与第五直波导的另一端相连接，第四分支直波导的一端连接第一输出光波导；第六直波导上设有第四输入光波导41，第三分支直波导上设有第二Y分支直通光波导42，第四分支直波导上设有第一输出光波导43；

第三微环谐振器5，如图6所示，第三微环谐振器5包括第三硅基纳米线微环R3、第七直波导和第八直波导；第七直波导和第八直波导相平行，第三硅基纳米线微环R3位于第七直波导和第八直波导之间，第七直波导的一端与第二分支直波导的另一端相连接，第七直波导上、沿远离第二分支直波导的方向依次设有第七输入光波导51和第三直通光波导52；第八直波导沿远离第二分支直波导的方向依次设有第三下载光波导53，第三加载光波导54；第三微环谐振器5带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

第四微环谐振器6，如图7所示，第四微环谐振器6包括第四硅基纳米线微环R4、第九直波导和第十直波导，第九直波导、第十直波导平行设置，第四硅基纳米线微环R4位于第九直波导和第十直波导之间，第九直波导的一端与第七直波导的另一端相连接，第九直波导远离与第七直波导连接点的方向依次设有第六输入光波导61和第四直通光波导62，第十直波导的一端与第八直波导的另一端相连接、沿远离第十直波导与第八直波导连接点的方向依次设有第四下载光波导63，第四加载光波导64第四微环谐振器6带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

第五微环谐振器7，如图8所示，第五微环谐振器7包括第五硅基纳米线微环R5、第十一直波导和第十二直波导，第十一直波导、第十二直波导平行设置，第五硅基纳米线微环R5位于第十一直波导和第十二直波导之间，第十一直波导的一端与第九直波导的另一端相连接，第十一直波导远离与第九直波导连接点的方向依次设有第七输入光波导72和第五直通光波导71，第十二直波导的一端与第八直波导的另一端相连接、沿远离第十二直波导与第八直波导连接点的方向依次设有第五加载光波导73，第三输出光波导74，第五微环谐振器7带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

此外，第三直波导与第四直波导平行，第三直波导的一端与第四直波导的另一端相连接，使得第三直波导和第四直波导形成U形结构；第五直波导的一端与第三分支波导另一端相连接，使得第五直波导和第三分支波导形成U形结构；第八直波导与第十二直波导平行，第八直波导的一端与第十二直波导的另一端相连接，使得第八直波导和第十二直波导形成U形结构；第九直波导与第十一直波导平行，第九直波导的一端与第十一直波导的另一端相连接，使得第九直波导和第十一直波导也形成U形结构。

上述各微环谐振器中均具有调制器，调制器可以采用硅基电光调制器，也可采用硅基热光调制器。

图9所示为具有硅基热光调制器的微环谐振器的结构示意图，图中，Si衬底8上有SiO₂层9，SiO₂层9上有硅基纳米线微环10，在硅基纳米线微环10的上方铺设了一层发热电极101。在发热电极101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纳米线微环10的温度，从而改变环形波导的有效折射率N_eff，继而改变微环谐振器的谐振波长，实现动态滤波。

图10所示为具有硅基电光调制器的微环谐振器的结构示意图。进一步的，各微环谐振器中的硅基纳米线微环可采用脊型波导，其结构如图11所示。

从图9和图10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。因此，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则采用硅基热光调制。

当入射的光信号满足谐振条件（m×l=N_eff×2p×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×l=N_eff×2p×r）中的m表示微环谐振级次，其值为正整数，l为谐振波长，N_eff为波导的有效折射率，r为微环的半径，定义固有谐振波长l₀为工作波长。

上述光学Peres门可逆逻辑器件的工作原理如下：

对于图2所示的第一Y分支耦合器1，当光信号从第一输入光波导11输入，通过第一Y分支耦合器1将光信号均分为两束，分别从第一Y分支耦合器第一直通光波导12和第一Y分支耦合器第二直通光波导13输出。

对于图3所示的第一微环谐振器2，假定光信号由第二输入光波导23输入，当光信号经过耦合区（第二输入光波导23和第一直通光波导24与第一硅基纳米线微环R1距离最近的一个范围）时，光信号通过倏逝场耦合作用进入第一硅基纳米线微环R1中，第一硅基纳米线微环R1中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第二直通光波导21中。对于满足谐振条件（m×l=N_eff×2p×r）的光信号，在从第一硅基纳米线微环R1耦合到第一直通光波导24时，由于两路光信号的相位差导致的相消干涉，会在第一直通光波导24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第一直通光波导24输出。

对于图4所示的第二微环谐振器3，假定光信号由第三输入光波导31输入（从第二输入端21输入的光信号满足第一硅基纳米线微环R1的谐振条件），当光信号经过耦合区（第二输入光波导31和第二输出光波导32与第二硅基纳米线微环R2距离最近的一个范围）时，对于满足谐振条件的光信号，在第二输出光波导32中检测不到谐振波长处的光波，光信号可以看作从第三下载光波导33输出，并传至消光端口T1；而不满足谐振条件的光可以看作毫无影响的通过耦合区第一输出光波导32输出。当光信号由第三加载光波导34输入（从第一分支波导12输入的光信号不满足第一硅基纳米线微环R1的谐振条件）时，光信号经过耦合区（第三加载光波导34和第三下载光波导33与第三硅基纳米线微环R3距离最近的一个范围）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第二输出光波导32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从第三下载光波导34输出，并传至消光端口T1。

对于图5所示的第二Y分支耦合器4，当光信号从第四输入光波导41输入，通过第二Y分支耦合器4将光信号均分为两束，分别从第二Y分支直通波导42和第一输出光波导43输出。

对于图6所示的第三微环谐振器5，假定光信号由第五输入光波导51输入，当光信号经过耦合区（第五输入光波导51和第三直通光波导52与第三硅基纳米线微环R3距离最近的一个范围）时，对于满足谐振条件的光信号，光信号可以看作从第三下载光波导53输出；而不满足该谐振条件的光信号可以看作毫无影响的通过耦合区从第三直通光波导52输出。

对于图7所示的第四微环谐振器6，假定光信号由第六输入光波导61输入（从第二分支波导输入的光信号不满足第三硅基纳米线微环R3的谐振条件），当光信号经过耦合区（第六输入光波导61和第四直通光波导62与第四硅基纳米线微环R4距离最近的一个范围）时，满足谐振条件的光信号通过第三输出光波导63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从第四直通光波导62输出，并传至光卸载端口T2卸载。

对于图8所示的第五微环谐振器7，假定光信号由第七输入光波导72输入（从第二分支波导13输入的光信号不满足第三硅基纳米线微环R3的谐振条件且不满足第四硅基纳米线微环R4的谐振条件），当光信号经过耦合区（第七输入光波导72和第四直通光波导71与第四硅基纳米线微环R4距离最近的一个范围）时，满足谐振条件的光信号通过第三输出光波导74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从第五直通光波导71输出，最终光传至第二消光口T2卸载。当光信号由第五加载光波导73输入（从第二分支波导13输入的光信号满足第三硅基纳米线微环R3的谐振条件或满足第四硅基纳米线微环R4的谐振条件）时，光信号经过耦合区（第五加载光波导73和第三输出光波导74与第五硅基纳米线微环R5距离最近的一个范围）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第五直通光波导71从光卸载端口T2卸载；而不满足谐振条件的光可以看作毫无影响的通过耦合区从第三输出光波导74输出。

需要说明的是：当光信号由第五加载光波导54输入时，永远不会满足第三微环谐振器5的谐振条件。

上面分析的是静态的微环谐振器工作特性，总结而言，微环谐振器会固定地使某些波长（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×l=N _eff ×2p× r）看出，改变微环谐振器的半径r和有效折射率N _eff都将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。

下面以热调制的微环谐振器为例说明光学Peres门可逆逻辑器件的工作过程：

首先，定义第一微环谐振器2，第二微环谐振器3，第三微环谐振器5，第四微环谐振器6，第五微环谐振器7的谐振波长l_A为工作波长。

对于图1所示的光学Peres门可逆逻辑器件，在光信号输入端输入处于工作波长的连续信号光（cw），然后分别对五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，并且第一微环谐振器2，第二微环谐振器3，第三微环谐振器5，第四微环谐振器6，第五微环谐振器7在工作波长处谐振（第一微环谐振器2和第三微环谐振器5所加调制电压完全同步；第二微环谐振器3和第四微环谐振器6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Peres门可逆逻辑器件共有八种工作状态。

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加低电平（逻辑“0”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加低电平（逻辑“0”）、第五微环谐振器7也加低电平（逻辑“0”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7都处于谐振状态，在光的第一、第二、第三输出端口都没有光输出（逻辑值都为“0”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加低电平（逻辑“0”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加低电平（逻辑“0”）、第五微环谐振器7加高电平（逻辑“1”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）处于谐振状态，第五微环谐振器7处于非谐振状态，在光的第一、第二输出端口都没有光输出（逻辑值都为“0”），在第三输出端口有光输出（逻辑值为“1”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加低电平（逻辑“0”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加高电平（逻辑“1”）、第五微环谐振器7加低电平（逻辑“0”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第五微环谐振器7处于谐振状态，第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）处于非谐振状态，在光的第一、第三输出端口都没有光输出（逻辑值都为“0”），在第二输出端口有光输出（逻辑值为“1”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加低电平（逻辑“0”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加高电平（逻辑“1”）、第五微环谐振器7加低高平（逻辑“1”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）处于谐振状态，第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7处于非谐振状态，在光的第一输出端口没有光输出（逻辑值都为“0”），在第二、第三输出端口都有光输出（逻辑值为“1”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加高电平（逻辑“1”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加低电平（逻辑“0”）、第五微环谐振器7加低电平（逻辑“0”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）处于非谐振状态，第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7处于谐振状态，在光的第一、第二输出端口都有光输出（逻辑值都为“1”），在第三输出端口没有光输出（逻辑值为“0”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加高电平（逻辑“1”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加低电平（逻辑“0”）、第五微环谐振器7加低高平（逻辑“1”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第五微环谐振器7处于非谐振状态，第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）处于谐振状态，在光的第一、第二、第三输出端口都有光输出（逻辑值都为“1”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加高电平（逻辑“1”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加高电平（逻辑“1”）、第五微环谐振器7加低电平（逻辑“0”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）处于非谐振状态，第五微环谐振器7处于谐振状态，在光的第一、第三输出端口都有光输出（逻辑值都为“1”），在第二输出端口没有光输出（逻辑值为“0”）；

当第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）加高电平（逻辑“1”）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）加高电平（逻辑“1”）、第五微环谐振器7也加高电平（逻辑“1”）时，这时第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7都处于非谐振状态，在光的第一输出端口有光输出（逻辑值都为“1”），在第二、第三输出端口都没有光输出（逻辑值为“0”）。

该光学可逆器件完成Peres门计算的真值表如下：

光学Peres门可逆逻辑器件的真值表

A	B	C	X	Y	Z
						0	0	0	0	0	0
0	0	1	0	0	1
						0	1	0	0	1	0
0	1	1	0	1	1
						1	0	0	1	1	0
1	0	1	1	1	1
						1	1	0	1	0	1
1	1	1	1	0	0

注：表中的A、B、C分别表示对第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7所施加的信号，X、Y、Z分别表示第一、第二、第三输出端口。

可以看出，该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Peres门计算的光信号；因此本光学可逆器件可以完成三个一位二进制数的Peres门可逆逻辑运算。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：设定第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7在未加调制的谐振波长为工作波长，因此当加在第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7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；当加在第一微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7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Peres门可逆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微环谐振器2（第三微环谐振器5）、第二微环谐振器3（第四微环谐振器6）、第五微环谐振器7，在三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Peres门计算结果，从而完成了Peres门可逆逻辑运算的功能。

总之，该可逆逻辑器件通过添加一个常量输入和两个垃圾输出将传统逻辑与门改进为一个具有三输入/输出的可逆逻辑门，运算过程中就不会存在信息的丢失，避免由信息丢失所带来的能耗。由于既能传递逻辑门的输出值，也能传递它的输入值，输入向量与输出向量是一一映射的，因此没有比特位丢失，这样可以从根本上解决芯片内部产生热量的问题，理论上甚至可以完全杜绝热量的产生，从而大大降低计算机在逻辑上的能耗，提高计算速度。

本实用新型光学Peres门可逆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。本实用新型器件的制作工艺与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，对本实用新型的目的、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，以上所述的仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内，对上述技术方案所做的任何修改、同等替换、改进等，均应该包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其特征在于，包括第一、第二Y分支耦合器以及第一～第五微环谐振器，所述Y分支耦合器包括一根干路直波导以及从干路直波导的一端延伸出的两根分支直波导，所述微环谐振器包括硅基纳米线微环、调制器，以及位于硅基纳米线微环两侧的两根平行的直波导，硅基纳米线微环与两根平行的直波导构成谐振结构；

2.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其特征在于，所述Y分支耦合器中的干路直波导和分支直波导、所述微环谐振器中的直波导和硅基纳米线微环，以及所述U型波导均为硅基光波导。

3.根据权利要求2所述的一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其特征在于，所述硅基纳米线微环为脊型硅基光波导。

4.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其特征在于，所述调制器为硅基电光调制器或硅基热光调制器。

5.根据权利要求4所述的一种基于微环谐振器的硅基光学Peres门可逆逻辑器件，其特征在于，所述调制器为硅基电光调制器；所述硅基电光调制器包括设于硅基纳米线微环中心的圆形的P掺杂区，以及设于硅基纳米线微环外部无直波导处的弧形的N掺杂区，P掺杂区与硅基纳米线微环同心，N掺杂区的外圆也与硅基纳米线微环同心。