[發明專利]基于并行雙微環諧振器的光學邏輯門

無效

• 申請號: 201010606534.0
• 申請日: 2010-12-27
• 公開（公告）號: CN102062988A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 田永輝;楊林
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02F3/00
• 分類號: G02F3/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及用于光信息處理與光計算技術領域，尤其涉及一種基于并行雙微環諧振器的光學邏輯門，特別地，該光學邏輯門用一種結構緊湊的硅基集成化微環諧振器實現邏輯運算功能。

背景技術

隨著科技的發展，人們的生活水平不斷提高，人們日常生活中所面臨的待處理的信息量大大增加，如：視頻會議、可視電話、智能家居、物聯網等。這樣以來，傳統的電子學的信息處理與計算無論是在功耗還是在速度方面都存在很大的弊端。光信息處理與光計算作為代替電信息處理與計算的最有效的途徑之一，其越來越受到科研人員的重視，而作為光信息處理與光計算的最基本的構造單元之一的光學邏輯門也正逐漸成為科研人員的研究熱點。

光學邏輯門是光信息處理與光計算中必不可少的元件。傳統的布爾邏輯門是由三極管級聯而成，如TTL與門，對于一個邏輯門需要驅動多個三極管，這樣功耗相對較高，而光學邏輯門工作時相當于一個選擇開關，功耗相對較低。在延時方面，傳統的布爾邏輯門由于需要多個三極管，每經過一個三極管都要引入一個延時，這些延時最終會累加起來，從而會引入更大的延時，甚至會帶來錯誤的運算結果，而光學邏輯門所有的輸入都是并行的，每一個輸入元素相互獨立，最終運算的結果在光域中以光強的形式表示出來，這樣帶來的延時很小，可以忽略不計。光學邏輯門可以在一個端口得到運算的邏輯值另一端口得到邏輯值的非，這樣一個器件可以得到兩種運算結果。

歷史上曾經有兩次大規模的光邏輯與光計算的研究熱潮。當時集成光學還未得到充分發展，體光學元件實現的光信息處理系統往往體積龐大而且可編程性極低，與集成度高、可編程性能優越的微電子技術相比優勢非常少。時至今日，在光通信產業的推動下，借鑒微電子工藝實現的集成光學器件性能已經有了長足進步，能實現的功能越來越豐富，工作模式也越來越靈活。基于這些集成光學器件的光信息處理研究重新獲得了重視。

美國康奈爾大學的Qianfan?Xu等科研人員發表于2007年的“All-optical?logic?based?on?silicon?micro-ring?resonators”描述了他們利用硅基集成化的單個微環實現全光的與及與非的邏輯門方法。但是，該方法需要較強的光信號激勵。

基于集成光學的邏輯單元易于實現大規模集成、功耗較低、體積小、延時小、速度快，在不久的將來可能在高速、高性能的處理器單元及在片上光互連中發揮著重要作用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于并行雙微環諧振器的光學邏輯門，以解決傳統電學邏輯門中的速度瓶頸、功耗、門延時以及由門延時而帶來的競爭與冒險的問題，達到提高光信息處理與光計算中信息處理速度的目的，并保持器件的小體積、低功耗及低成本。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種基于并行雙微環諧振器的光學邏輯門，該光學邏輯門由兩個并行的微環諧振器和兩條相互平行的納米線波導實現，其兩個輸入是待計算的電脈沖序列，輸出的計算結果是光脈沖序列。

上述方案中，該光學邏輯門采用絕緣體上的硅(SOI)材料制備，基本單元為帶熱調制機構或電調制機構的微環諧振器。在信號傳輸速率(兆量級以下)要求不高的情況下，一般采用熱調制。熱調制在工藝上易于實現。在高速(吉量級)傳輸系統需要采用電調制，但是，相比于熱調制，電調制的工藝稍微復雜。

上述方案中，所述微環諧振器是由兩條相互平行的直波導和一個環形波導構成的微環諧振器，該環形波導的外邊緣同時與相互平行的兩個直波導之間有一預定的耦合距離。這種結構沒有波導交叉出現從而避免了信號間的串擾，提高了微環諧振器的性能，而且這種結構還有利于實現多個微環的級聯以便實現更為復雜的邏輯功能。

上述方案中，該光學邏輯門中的兩個微環之間有一預定的距離。

上述方案中，該光學邏輯門用于實現四種邏輯運算功能，該四種邏輯運算功能的實現過程是：器件有一個端口輸入特定工作波長的連續激光，待運算得兩個電脈沖序列分別作用于兩個微環諧振器；定義電信號是高電平時，微環諧振器處于諧振狀態，電信號是低電平時，微環諧振器處于非諧振狀態，則在光學邏輯門的下載端就能得到兩個電脈沖序列的‘或’運算的光脈沖序列，直通端就能得到‘或非’運算的光脈沖序列。該邏輯值都是在光域中以光強的形式所表示。如果我們在輸出端口加入光電探測器就可以得到運算的結果。運算的結果是以光波的形式所表示，該結果當然可以直接在光纖中傳輸從而直接進入下一級進行處理。