CN104238233A - 基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种特别适用于将来的光信息处理领域的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件。本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件是由n个逻辑器件运算单元和一个直波导构成，其中的每个逻辑运算单元是由N个微环MRR构成，各微环MRR与线波导相耦合。本发明的器件利用了光的自然特性可以实现高速大容量的信息处理，同时利用成熟的工艺技术，使得器件的集成度高、体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成，以期望在光信息处理中发挥重要的作用。

Description

基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件

技术领域

 本发明涉及一种光信息处理器件，特别是一种基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，该器件特别适用于将来的光信息处理领域。

背景技术

随着半导体技术的快速发展，芯片或集成电路的集成度越来越高，CPU已经可以获得GHZ级的工作主频，但是高主频带来的最严重问题是单位面积电路的功耗急剧上升，与此同时由于集成元件的尺寸进一步缩小，漏电与散热问题也无法很好的解决，摩尔定律神话正在不断的受到挑战。种种迹象表明，采用电子做信息载体已经不能满足人们对更快的处理速度的要求，而光通信和光计算***以光子作为信息载体，用光互连代替导线互连、光子硬件代替电子硬件、以光运算代替电运算，由光纤与各种光学元件构成集成光路，从而可以大大提高对数据运算、传输和存储的能力，已经引起了越来越多的科研人员的注意。可重构导向逻辑器件是光信息处理中的重要组成部分。普通的逻辑器件的一个共同特点是针对某种逻辑功能而提出的逻辑结构，这些结构不具有普适性。为了更方便的实现其他更复杂的逻辑运算，需要有一种可实现任意一个逻辑函数运算的器件。本发明提出的一种基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件易于实现大规模集成、功耗较低、体积小、延时小、速度快，在不久的将来可能在光子计算机中的高性能处理单元中发挥着重要作用。到目前为止还没有见到国内国外具有类似功能器件的报道。

发明内容

本发明提供一种基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，本发明的这种基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件可以实现任意一个逻辑函数的运算，给实现各种复杂的逻辑运算带来了很大方便。

本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件是由n个逻辑器件运算单元和直波导构成，其中的每个逻辑运算单元是由N个微环MRR构成，各微环MRR与直波导相耦合。

本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件中，各微环MRR用硅基纳米线波导制作，直波导为纳米线波导。

本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件中，相邻的两个微环谐振器MRR间有可阻止两微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。

本发明的实施例中的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，中的微环谐振器MRR为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。

本发明的器件采用绝缘体上的硅SOI材料制备。

本发明的器件，其输入是待运算的电信号和一个多波长的连续光信号，输出的是对电信号逻辑运算后的光信号，其中各微环谐振器MRR的基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器MRR光开关，其运算的过程是：在器件的一个光学端口输入多波长的连续激光，待运算的电信号分别根据1和0的状态以高低电平的形式加载在MRR上，在信号输出端口以光逻辑的形式输出与输入的电信号相对应的逻辑运算结果，从而完成任意一个逻辑函数的运算。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的硅基集成化的多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，利用了光的自然特性可以实现高速大容量的信息处理；利用了成熟的工艺技术，使得器件的集成度高、体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成，以期望在光信息处理中发挥重要的作用。

2、本发明提供的硅基集成化的多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件结构中每个基于微环谐振器的光开关都是独立的，且所有的开关都是同时并行工作，这就意味着每个开关的延时并不会积累，而且最终校验的结果是以光束的形式在光学输出端输出，故整个器件的处理速度相对与电学器件而言要快很多，因此在光信息处理中有很好的应用前景。

附图说明    

附图1为本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件的结构示意图，端口Input为多波长的连续光信号，为光信号的输出端，待处理的电信号分别加载在微环上。

附图2是逻辑运算单元的结构示意图，N个 MRR与纳米线波导相耦合。虚线的微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处谐振，加载低电平电平时，微环在工作波长处不谐振；实线微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处不谐振，当加载低电平时，微环在工作波长处谐振。

附图3为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器MRR的电极结构示意图，在电极上施加电压，通过产生热量或者改变材料中的载流子浓度来改变环形波导的群折射率从而改变MRR的谐振波长，实现动态滤波。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，由n×N个环形波导和一个真波导构成，参见附图1，其基本结构为基于MRR的光开关，仅由一种结构的MRR构成，采用硅基纳米线波导制作，由用绝缘体上的半导体材料制成，每个微环谐振器MRR与纳米线波导相耦合。相邻的两个微环谐振器MRR间有可阻止两者间产生热串扰的间隔或绝缘。本发明中当N大于1时，为减小器件的体积可将采用多个直波导与MRR相偶合，而各直波导间用光滑弯曲的另一波导相互联接，构成如图1所示的结构。

本发明实施例中的带热调制机构或电调制机构的MRR结构见图3。

本发明器件的输入是待处理的电信号序列和一个多波长处的连续光信号，输出的是对电信号运算后的光信号，其中各微环谐振器MRR的基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器MRR光开关，其处理的过程是：在器件的一个光学端口输入多波长的连续激光，待运算的N位二进制电信号作用于n×N个MRR，图1中虚线的微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处谐振，加载低电平电平时，微环在工作波长处不谐振；实线微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处不谐振，当加载低电平时，微环在工作波长处谐振，在信号输出端口就以光逻辑的形式输出与N位输入的电信号的逻辑运算结果，从而实现任意一个逻辑函数的运算。

有N个待运算的电信号输入和一个多波长的连续光输入，输出是对N个电信号序列进行运算后的可以在光纤中传输直接进入下一级的信息处理的光信号。虚线的微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处谐振，加载低电平电平时，微环在工作波长处不谐振；实线微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处不谐振，当加载低电平时，微环在工作波长处谐振。在光信号的输出端可以得到任意一个逻辑函数的运算结果。

本发明的MRR结构，可以采用SOI、SIN、Ⅲ-Ⅴ族材料实现。本发明优化的方案是基于SOI材料实现的，其突出的优点是；工艺利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成。

本发明的性能优点与它所采用的材料属性及器件的结构关系密切。

在材料方面：本发明采用的是绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）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，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。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1.44），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。

在结构方面：本发明的基本单元为基于硅基纳米线波导的微环谐振器，它是一种功能多样，性能优越，近年来被广泛研究的集成光学元件。由于环形波导的半径可以小至1.5微米，从而使器件的面积很小，在一块芯片上可以制作出多个器件。传统波导器件（如LiNbO₃）的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，占用芯片面积较大，一块芯片上通常只能放下一个器件。本发明的器件结构非常紧凑，可以实现器件高密度集成，减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。

下面通过分析光信号在图2所示的MRR中的传输过程，简要说明其工作原理：

任何一个逻辑运算的表达式都可以化为的形式，其中分别表示n个操作数的‘与’运算（例如：）。设计器件结构的原则是首先分别实现，然后实现从而就实现了任意逻辑函数的运算。

λ₁，λ₂分别表示MRR1和MRR2的谐振波长所在位置。工作波长选在λ₁处，以等离子色散效应的电光调制方案来说明其工作原理。 波长为工作波长λ₁单色连续激光输入到图2的输入端。当MRR2在加高电平时其谐振波长从λ₂移到λ₁（加高电平，载流子注入波导区，波导的折射率变小，谐振波长从长波向短波移动），通过这种定义，对MRR1而言，电信号为0时光信号为0，电信号为1时光信号为1，对MRR2而言，电信号为0时光信号为1 ，电信号为1时光信号为0. 所以在直通端（Through）可以得到逻辑运算:，表示加载在MRR1，MRR2上的待操作数，虚线的微环谐振器表示当加载在微环上的电压为高电平（待操作数为1）时，微环谐振器在工作波长处处于谐振状态；实线的微环谐振器表示当加载在微环上的电压为低电平（待操作数为0）时，微环谐振器在工作波长处处于谐振状态。根据类似的定义，图2的直通端可得逻辑运算，其中分别表示加载在MRR1,MRR2,MRR3 …… MRRn上待运算的操作数。

图3所示为MRR的热调制机构，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的温度发生变化，环形波导的群折射率N_g发生变化，MRR的谐振波长λ随之变化。

图1是基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件的结构示意图。在光信号输入端Input输入是多波长连续光信号（CW），虚线的微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处谐振，加载低电平电平时，微环在工作波长处不谐振；实线微环表示当微环加载高电平时，微环在工作波长处不谐振，当加载低电平时，微环在工作波长处谐振。此结构由一条波导和n个逻辑运算单元组成，每个运算单元由N个微环构成，这样整个结构总共有个微环。工作原理：多波长的光信号输入到输入端，待运算的电信号分别加载在对应的微环上，如图在运算单元#1的直通端位置可得y₁，在运算单元#2的直通端位置可得y₁+y₂,如此级联下去，在运算单元#n的直通端Y可得，即该结构可以完成任意一个逻辑函数的运算。

需要说明的是：在器件工作过程中，待校验的N个电学信号在时间上必须精确同步。在高速***中，需要通过特殊的电极设计、特殊的布局布线及电磁兼容分析来达到同步要求。

以上所述的具体实施例，仅是对本发明的目的、技术方案和有益效果的进一步详细说明，所应指出的是以上所述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、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的硅基集成化的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，待运算的电信号的逻辑值在时间上要精确对齐，各个逻辑值在时间上精确同步。

本发明的带热调制机构或电调制机构的MRR，在信号传输速率（兆量级以下）要求不高的情况下可以采用热调制，在高速（吉量级）传输***需要采用电调制。

上述方案中，该基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件实现电信号到光信号的运算过程是：器件的一个端口输入多波长的连续激光，待运算的电信号分别加载在对应的微环上。如图1在运算单元#1的直通端位置可得y₁，在运算单元#2的直通端位置可得y₁+y₂,如此级联下去，在运算单元#n的直通端Y可得y₁+y₂+……+y_n,即该结构可以完成任意一个逻辑函数的运算，这也是本发明的目的所在。

本发明中，待运算的电信号序列（加在微环上的电信号）在时间上需要精确对齐，即在时间上精确同步。在高速工作模式下，需要对电极进行特殊的设计及电磁兼容方面的分析与模拟。

本发明中，所述光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行处理。

Claims (5)

1.基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，其特征在于由n个逻辑器件运算单元和一个直波导构成，其中的每个逻辑运算单元是由N个微环MRR构成，各微环MRR与直波导相耦合。

2. 根据权利要求1所述的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，其特征在于微环MRR用硅基纳米线波导制作，直波导为纳米线波导。

3. 根据权利要求2所述的基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，其特征在于相邻的两个微环谐振器MRR间有可阻止两微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。

4. 根据权利要求1至3中所述的任一基于多波长单波导多环级联结构的可重构导向逻辑器件，其特征在于微环谐振器MRR为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。

5. 权利要求1至4所述的器件的制备方法，其特征在于采用绝缘体上的硅SOI材料制备。