CN104503184B - 一种基于微环谐振器的新型4线‑2线电光优先编码器 - Google Patents

一种基于微环谐振器的新型4线‑2线电光优先编码器 Download PDF

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Abstract

一种基于微环谐振器的新型4线‑2线电光优先编码器，包括四个微环谐振器和三根直波导，第一直波导和第二直波导垂直相交，构成直角坐标系，第三直波导与第一直波导平行；一个微环谐振器的硅基纳米线微环位于直角坐标系第四象限，且位于第一直波导和第三直波导之间；第二个微环谐振器的硅基纳米线微环位于该直角坐标系第三象限，其余两个微环谐振器的硅基纳米线微环位于直角坐标系第二象限。该优先编码器克服了传统电学编码器中的速度、功耗、门延时以及竞争与冒险等瓶颈问题，实现高速大容量的信息处理，容错率好，并保持了器件体积小、功耗低和易集成的现代集成电路前提，能在光子通信和光子信息处理***中发挥重要作用。

Description

一种基于微环谐振器的新型4线-2线电光优先编码器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种电光优先编码器，尤其涉及一种基于微环谐振器的新型4线-2线电光优先编码器。
背景技术
随着半导体技术的继续发展，芯片或集成电路的集成度越来越高，集成元件的尺寸进一步缩小，传统电学器件的漏电与散热问题无法很好的解决，线路的时钟扭曲和电磁干扰也越来越严重。人们要求的更快的处理速度已经无法依靠采用电子做信息载体的电子电路来得到，而光通信和光计算***以光子作为信息载体，光子不带电荷，它们之间不存在电磁场相互作用。在自由空间中几束光平行传播、相互交叉传播，彼此之间不发生干扰，光信号传输的并行性使得光学***有比电学***更宽的信息通道；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，可以大大提高对数据运算、传输和存储的能力，加上光子器件的低耗能，光子器件已经引起了越来越多科研人员的注意。
在计算机***中，为了区分一系列事物，将其中的每一个事物用一个二进制码表示，这就是编码的含义。编码器的逻辑功能就是产生这一系列二进制代码。编码器是通信和计算网络中必不可少的元件。光学编码器对于光信息***来说也是不可或缺的，但普通编码器的容错性能较差，当同时输入多个信号时，就会出现混乱或者错误的编码。
发明内容
本发明的目的是提供一种容错率好的基于微环谐振器的新型4线-2线电光优先编码器，在同时输入多个信号的情况下，能够依据事先确定的优先级对优先级最高的信号进行编码，不会出现混乱或者错误的编码。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于微环谐振器的新型4线-2线电光优先编码器，包括四个微环谐振器和三根直波导，三根直波导中的第一直波导和第二直波导垂直相交，构成一个直角坐标系，第三直波导与第一直波导相平行，第三直波导与第一直波导不相交；一个微环谐振器的硅基纳米线微环位于该直角坐标系的第四象限内，且该硅基纳米线微环位于第一直波导和第三直波导之间；第二个微环谐振器的硅基纳米线微环位于该直角坐标系的第三象限内，其余两个微环谐振器的硅基纳米线微环沿平行于第一直波导的方向位于该直角坐标系的第二象限内，且该两个微环谐振器中朝向第二直波导的微环谐振器的硅基纳米线微环位于第一直波导和第三直波导之间。
本发明电光优先编码器具有如下优点：
1、利用光的自然特性实现电光编码器代替传统的电学编码器，没有传统电学器件的电磁效应以及寄生电阻电容的影响，可以实现高速大容量的信息处理。
2、采用绝缘衬底上的硅材料SOI，即在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1.44），包层和芯层的折射率相差很大，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4线-2线电光优先编码器仅由微环谐振器和三根直波导构成，其中只有一个交叉，除微环和一个交叉之外的损耗可以忽略不计，故整体器件损耗很小。
4、本发明电光优先编码器采用现有的CMOS工艺制成，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是本发明电光优先编码器的结构示意图。
图2是本发明电光优先编码器中第一微环谐振器的结构示意图。
图3是本发明电光优先编码器中第二微环谐振器的结构示意图。
图4是本发明电光优先编码器中第三微环谐振器的结构示意图。
图5是本发明电光优先编码器中第四微环谐振器的结构示意图。
图6是本发明电光优先编码器中带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。
图7是本发明电光优先编码器中带硅基电光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。
图中：1.第一微环谐振器，2.第二微环谐振器，3.第三微环谐振器，4.第四微环谐振器，5.Si衬底，6.SiO2层，7.加热电极，8.硅波导；
11.第一输入光波导，12.第一直通光波导，21.第二输入光波导，22.第三输入光波导，23.第二直通光波导，24.第一下载光波导，31.第四输入光波导，32.第五输入光波导，33.第三直通光波导，34.第二下载光波导，41.第六输入光波导，42.第三下载光波导，43.第四直通光波导，44.第四下载光波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明电光优先编码器，包括：
结构如图2所示的第一微环谐振器1，第一微环谐振器1包括第一硅基纳米线微环l 1、第一输入光波导11和第一直通光波导12；第一微环谐振器1带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
结构如图3所示的第二微环谐振器2，第二微环谐振器2包括第二硅基纳米线微环l 2、第二输入光波导21、第三输入光波导22、第二直通光波导23和第一下载光波导24；第二输入波导21与第一直通光波导12相连；第二微环谐振器2带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
结构如图4所示的第三微环谐振器3，第三微环谐振器3包括第三基纳米线微环l 3、第四输入光波导31、第五输入光波导32、第三直通光波导33和第二下载光波导34；第四输入波导31与第二微环谐振器2中的第二直通光波导23相连；第三微环谐振器3带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
结构如图5所示的第四微环谐振器4，第四微环谐振器4包括第四硅基纳米线微环l 4、第六输入光波导41、第四直通光波导43、第三下载光波导42和第四下载光波导44；第六输入光波导41与第三微环谐振器3中的第三直通光波导33相连；第三下载光波导42与第二微环谐振器2中的第三输入光波导22相连；第四下载光波导44与第三微环谐振器3中的第五输入光波导32相连；第四微环谐振器4带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
第一输入光波导11、第一直通光波导12、第二输入光波导21、第二直通光波导23、第四输入光波导31、第三直通光波导33、第六输入光波导41和第四直通光波导43依次位于第一直波导上；第二下载光波导34、第五输入光波导32和第四下载光波导44依次位于第二直波导上，该第二直波导与该第一直波导垂直相交，且第五输入光波导32和第四下载光波导44分别位于第一直波导的两侧；第一直波导和第二直波导构成一个直角坐标系，第一硅基纳米线微环l 1和第二硅基纳米线微环l 2位于该直角坐标系的第三象限，且第一硅基纳米线微环l 1远离该直角坐标系的纵坐标，第三硅基纳米线微环l 3位于该直角坐标系的第二象限，第四硅基纳米线微环l 4位于该直角坐标系的第四象限；第一下载光波导24、第三输入光波导22和第三下载光波导42依次位于第三直波导上，该第三直波导与第一直波导相平行，第三直波导和第二直波导不相交，第二硅基纳米线微环l 2和第四硅基纳米线微环l 4位于第一直波导和第三直波导围成的区域内。第一直波导、第二直波导和第三直波导均为纳米线波导。
带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极，如图6所示，Si衬底5上生长有SiO2层6，SiO2层6上设有SOI材料制成的硅波导8，SiO2层6上还设有加热电极7，加热电极7与SiO2层6之间形成一个空腔，硅波导8位于该空腔内；在加热电极7的引线上施加电压，会有电流通过加热电极7，使得加热电极7产生热量，通过热辐射的方式改变硅基光波导的温度，从而改变环形波导的有效群折射率Ng，继而改变MRR的谐振波长，实现动态滤波。
带硅基电光调制器的微环谐振器MRR的电极，如图7所示，此种调制机构下的光波导是p-i-n结构，在两端掺杂的p区和n区接高速电极，一旦在电极引线上施加电压，将会在光波导中产生一个由正极到负极的电场，该电场会导致载流子的漂移运动，以此改变硅基光波导中的载流子浓度，从而改变环形波导的有效群折射率Ng，继而改变MRR的谐振波长，实现动态滤波。
可见，硅基热光调制器和硅基电光调制器的调制原理不相同，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群折射率。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。由于热辐射所用的时间远远大于非平衡载流子的寿命。所以电光调制的速度远远快于热光调制的速度，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。
第一硅基纳米线微环l 1、第二硅基纳米线微环l 2、第三硅基纳米线微环l 3和第四硅基纳米线微环l 4的结构参数完全相同，未调制时，该四个硅基纳米线微环都在同一波长处谐振，该波长即为输入光信号的波长。
下面通过分析光信号在图2、图3、图4和图5所示的微环谐振器中光的传输过程，简要说明本发明电光优先编码器的工作原理：
对于图2所示的第一微环谐振器1，假定光信号由第一输入光波导11输入，当光信号经过耦合区（第一输入光波导11、第一直通光波导12和第一硅基纳米线微环l 1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l 1中，第一硅基纳米线微环l 1中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第一直通光波导12中。对于满足谐振条件（m×l=Ng×2p×R，式中的Ng表示群折射率）的光信号，在从微环耦合到第一直通光波导12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12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12输出；
对于图3所示的第二微环谐振器2，假定光信号由第二输入光波导21输入，当光信号经过耦合区（第二输入光波导21、第二直通光波导23和第二硅基纳米线微环l 2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二硅基纳米线微环l 2中，第二硅基纳米线微环l 2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23和第一下载光波导24中。对于满足谐振条件（m×l=Ng×2p×R）的光信号，在从微环耦合到第二直通光波导23时，由于两路光信号的相位差，光信号与第二输入光波导21中未被耦合进入第二硅基纳米线微环l 2的部分相消，故而在第二直通光波导23中检测不到谐振波长处的光波，对应波长的光波会被下载到第一下载光波导24中输出；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二直通光波导23输出。当光信号从第三输入光波导22输入时，光信号通过倏逝场耦合作用进入第二硅基纳米线微环l 2中，第二硅基纳米线微环l 2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23和第一下载光波导24中。对于满足谐振条件（m×l=Ng×2p×R）的光信号，在从微环耦合到第一下载光波导24时，由于两路光信号的相位差，光信号与第三输入光波导22中未被耦合进入第二硅基纳米线微环l 2的部分相消，故而在第一下载光波导24中检测不到谐振波长处的光波，对应波长的光波会被下载到第二直通光波导23中输出；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一下载光波导24输出；
对于图4所示的第三微环谐振器3，假定光信号由第四输入光波导31输入，当光信号经过耦合区（第四输入光波导31、第三直通光波导33和第三硅基纳米线微环l 3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三硅基纳米线微环l 3中，第三硅基纳米线微环l 3中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第三直通光波导33和第二下载光波导34中。对于满足谐振条件（m×l=Ng×2p×R）的光信号，在从微环耦合到第三直通光波导33时，由于两路光信号的相位差，光信号与第四输入光波导31中未被耦合进入第三硅基纳米线微环l 3的部分相消，故而在第三直通光波导33中检测不到谐振波长处的光波，对应波长的光波会被下载到第二下载光波导34中输出；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直通光波导33输出。而当光信号从第五输入光波导32输入时，光信号通过倏逝场耦合作用进入第三硅基纳米线微环l 3中，第三硅基纳米线微环l 3中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第三直通光波导33和第二下载光波导34中。对于满足谐振条件（m×l=Ng×2p×R）的光信号，在从微环耦合到第二下载光波导34时，由于两路光信号的相位差，光信号与第五输入光波导32中未被耦合进入第三硅基纳米线微环l 3的部分相消，故而在第二下载光波导34中检测不到谐振波长处的光波，对应波长的光波会被下载到第三直通光波导33中输出；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二下载光波导34输出。
对于图5所示的第四微环谐振器4，假定光信号由第六输入光波导41输入，当光信号经过耦合区（第六输入光波导41、第四直通光波导43和第四硅基纳米线微环l 4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四硅基纳米线微环l 4中，第四硅基纳米线微环l 4中的光信号也会通过倏逝场耦合作用耦合进入第三下载光波导42和第四下载光波导44中。同样的，对于满足谐振波长的光波会被微环完全下载，由于第三下载光波导42、第四下载光波导44相对于第四硅基纳米线微环l 4是等价的，所以第四硅基纳米线微环l 4会将输入光信号的光功率均分为两份分别从第三下载光波导42和第四下载光波导44直波导输出；而对于不满足谐振条件的光将毫无影响的通过耦合区从第四直通光波导43输出。
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×l=N g ×2p× R）看出，改变硅基纳米线微环半径R和有效群折射率N g 都将改变硅基纳米线微环的谐振波长。此处通过调节微环波导的有效群折射率N g 来改变硅基纳米线微环的谐振波长。有效群折射率与制造硅基纳米线微环材料的折射率有关，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***中采用电调制。
以热调制机构为例说明本发明电光优先编码器的工作过程：
在第一微环谐振器1的第一输入光波导11输入处于工作波长的连续稳定光信号。然后在每个微环谐振器的热调制机构上加载待编码的电信号，当该电信号编码为低电平，即逻辑“0”时，热光调制器的电极上没有电流通过，不产生热效应，光波导的折射率不受影响；当该电信号编码为高电平，即逻辑“1”时，在电场作用下，热光调制器的电极上有电流通过，产生热效应，通过热辐射对光波导起到了加热的效果，于是光波导的折射率发生了变化，从而可以改变微环谐振器的谐振波长。
假如某微环谐振器在调制电信号为低电平时的状态为逻辑‘0’，此时微环谐振器谐振。调制电信号为高电平时的状态为逻辑‘1’，此时微环谐振器不谐振；假定输出端口有光信号输出时用逻辑‘1’表示，输出端口无光信号输出时用逻辑‘0’表示；这样每个微环谐振器都有‘0’和‘1’两种状态，对于组合起来的各种状态，在三个输出端口，即第一下载光波导24、第二下载光波导34和第四直通光波导43均有相应的光信号输出状态与之对应。记加载在第一微环谐振器1热调制机构上的电信号逻辑值为I 1 ，记加载在第二微环谐振器2热调制机构上的电信号逻辑值为I 2 ，记加载在第三微环谐振器3热调制机构上的电信号逻辑值为I 3 ，记加载在第四微环谐振器4热调制机构上的电信号逻辑值为I 4 ，记第一下载光波导24的输出光信号记为Y 1 ，记第二下载光波导34的输出光信号记为Y 2 ，记第四直通光波导43的输出光信号记为A。
本优先编码器加载的电信号为I 1 ，I 2 ，I 3 ，I 4 。对应的I 1 加载在硅基纳米线微环l 1 的硅基热光调制器上， I 2 加载在硅基纳米线微环l 2 的硅基热光调制器上，I 3 加载在硅基纳米线微环l 3 硅基热光调制器上，I 4 加载在硅基纳米线微环l 4 的硅基热光调制器上。优先级的顺序由各个微环的位置顺序决定，该位置顺序决定了光信号到达每个微环的先后顺序，该顺序越靠前，优先级越高；从而达到了按优先级优先编码的目的。故本优先编码器对应的优先级为I 1 >I 2 > I 3 > I 4 。
当I 1 为低电平时（I 1 =0），对应第一微环谐振器1在输入光波波长处谐振，由对图2的分析可知，该波长光波在耦合区会被消光，即第一直通光波导12中的光信号为‘0’，第二微环谐振器2中的第二输入光波导21中光信号功率为‘1’，所以无论I 2 、I 3 、I 4 为何种状态，输出端口Y 1 、Y 2 均检测不到光波输出（Y 1 =Y 2 =0）；
当I 1 为高电平时（I 1 =1），对应第一微环谐振器1受到调制，其谐振波长偏离光波波长，故输入的光波继续向前传播，第一直通光波导12中光信号功率为‘1’，第二微环谐振器2中的第二输入光波导21中光信号功率为‘1’，当I 2 为低电平时（I 2 =0），对应第二微环谐振器2在输入光波波长处谐振，由对附图3的分析可知，第二直通光波导23中光功率为‘0’，而第一下载光波导24中光信号功率为‘1’。因此无论I 3 、I 4 处于何种状态，输入光波都将完全被第二微环谐振器2下载，并由Y 1 端口输出（Y 1 =1，Y 2 =0）。
当I 1 、I 2 为高电平时（I 1 =1，I 2 =1），对应第一微环谐振器1和第二微环谐振器2均受到调制，微环谐振波长偏离光波波长，故输入的光波继续向前传播，第三微环谐振器3的第四输入光波导31中光信号功率为‘1’。当I 3 为低电平时（I 3 =0），对应第三微环谐振器3在输入光波波长处谐振，由对附图4的分析可知，第三直通光波导33中光信号的功率为‘0’，第二下载光波导34中光信号的功率为‘1’。无论I 4 处于何种状态，输入光波都将完全被第三微环谐振器3完全下载，由Y 2 端口输出（Y 1 =0，Y 2 =1）。
当I 1 、I 2 、I 3 为高电平时（I 1 =1，I 2 =1，I 3 =1），对应第一微环谐振器1、第二微环谐振器2和第三微环谐振器3受到调制，该三个微环谐振器的谐振波长偏离光波波长，故输入的光波继续向前传播，第四微环谐振器4的第六输入光波导41中光信号功率为‘1’。当I 4 为低电平时（I 4 =0），对应第四微环谐振器4在输入光波波长处谐振，由对图5的分析可知，输入光波将被微环下载，并均分成两份由第三下载光波导42和第四下载光波导44同时输出，第三下载光波导42、第四下载光波导44中光信号的功率为‘1’。由于此时的第二微环谐振器2和第三微环谐振器3均不谐振，从第三输入光波导22和第五输入光波导32输入的光信号将直通并由第一下载光波导24和第二下载光波导34输出，最终从Y 1 、Y 2 端口输出（Y 1 =Y 2 =1）。
若I 1 、I 2 、I 3 、I 4 均为高电平时（I 1 =1，I 2 =1，I 3 =1，I 4 =1），对应的第一微环谐振器1、第二微环谐振器2、第三微环谐振器3和第四微环谐振器4均受到调制，输入光波将直接从直通光波导输出，最终由A端口输出（A=1，Y 1 =Y 2 =0）。此时，本发明电光优先编码器未工作。
依据上面的工作状态描述，做出表1所示的本4线-2线电光优先编码器的逻辑真值表。
表1 本4线-2线电光优先编码器的逻辑真值表
从表1可以看出，当A输出的逻辑值为1时，电光优先编码器不在工作状态，只有当A的逻辑输出值为0时，从Y 1 、Y 2 检测到的光逻辑值才能作为器件编码的结果。表1直观地说明了：本发明电光优先编码器能实现4线-2线的优先编码运算。本发明按优先级I 1 >I 2 > I 3 > I 4 的规则，将输出结果由Y 1 、Y 2 检测到的光逻辑值表示。
在本发明电光优先编码器中第一微环谐振器1的第一输入光波导11输入连续恒定固定波长的光信号；根据四个微环谐振器的排列顺序按第一微环谐振器1高于第二微环谐振器2高于第三微环谐振器3高于第四微环谐振器4的优先级顺序加载待编码的高低电平电信号，待编码的电信号通过调制机构作用于各对应微环；当电压信号为高电平时，各微环谐振器在输入光波长处失谐，光信号直通；当电压信号为低电平时，各微环谐振器在输入光波长处谐振，对应波长的光信号被微环下载。因而本发明电光优先编码器允许同时输入多个信号，优先编码器只对其中优先级最高的一个信号进行编码，这样就使得编码器的容错率大大提高，工作稳定性更好。第二微环谐振器2中的下载光波导和第三微环谐振器3中的下载光波导所输出的光信号共同组成电光优先编码器最终的编码结果，该输出的编码结果可直接输入下一级运算或者通入光电探测器读出编码结果。
本发明4线-2线电光优先编码器，由用绝缘体上的半导体材料制成的4个微环谐振器MRR和3根纳米线波导实现。输入是四位待编码的高低电平电信号和一个处于工作波长处的连续激光信号，输出的是两路对电信号编码后的光信号。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，待编码的4位电信号对各自的MRR的作用方式如下：当加在微环上的调制电信号为高电平时，MRR的谐振频率发生偏移，在输入激光的波长处失谐；当加在微环上的调制电信号为低电平时，MRR在输入激光的波长处谐振，光信号被下载。编码的过程是：在器件的一个光学端口输入特定工作波长的连续激光，待编码的4位高低电平电信号分别按确定的优先次序作用于4个MRR，在两个信号输出端口就以光逻辑的形式输出与4位输入的电信号相对应的编码结果，从而完成了4线-2线优先编码功能。该编码器有特定的优先级，同时存在多个输入信号时，仅对优先级最高的信号进行编码。
本电光优先编码器克服了传统电学编码器中的速度、功耗、门延时以及竞争与冒险等瓶颈问题，并保持了器件体积小、功耗低和易集成的现代集成电路前提，能在光子通信和光子信息处理***中发挥重要作用。
以上所述的具体实例，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。

Claims (1)

1.一种基于微环谐振器的新型4线-2线电光优先编码器，其特征在于，包括第一微环谐振器（1）、第二微环谐振器（2）、第三微环谐振器（3）、第四微环谐振器（4）、第一直波导、第二直波导和第三直波导，第一直波导和第二直波导垂直相交，构成一个直角坐标系，第三直波导与第一直波导相平行，第三直波导与第二直波导不相交；
第一微环谐振器（1）包括第一硅基纳米线微环（l 1）、第一输入光波导（11）和第一直通光波导（12）；第一硅基纳米线微环（l 1）位于直角坐标系第三象限，第一微环谐振器（1）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；第一输入光波导（11）和第一直通光波导（12）均位于第一直波导上，且第一输入光波导（11）远离第二直波导，第一直通光波导（12）与第二微环谐振器（2）相连；
第二微环谐振器（2）包括第二硅基纳米线微环（l 2）、第二输入光波导（21）、第三输入光波导（22）、第二直通光波导（23）和第一下载光波导（24）；第二硅基纳米线微环（l 2）位于直角坐标系第三象限、且位于第一直波导和第三直波导之间；第二输入光波导（21）和第二直通光波导（23）沿朝向第二直波导的方向依次位于第一直波导上，第二输入波导（21）与第一直通光波导（12）相连；第一下载光波导（24）和第三输入光波导（22）沿朝向第二直波导的方向依次位于第三直波导上，第二直通光波导（23）与第三微环谐振器（3）相连，第三输入光波导（22）与第四微环谐振器（4）相连，第二微环谐振器（2）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
第三微环谐振器（3）包括第三硅基纳米线微环（l 3）、第四输入光波导（31）、第五输入光波导（32）、第三直通光波导（33）和第二下载光波导（34）；第三硅基纳米线微环（l 3）位于直角坐标系的第二象限，第四输入光波导（31）和第三直通光波导（33）沿朝向第二直波导的方向依次位于第一直波导上，第四输入波导（31）与第二直通光波导（23）相连；第五输入光波导（32）和第二下载光波导（34）沿远离第一直波导的方向依次位于第二直波导上，第五输入光波导（32）和第三直通光波导（33）均与第四微环谐振器（4）相连，第三微环谐振器（3）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；
第四微环谐振器（4）包括第四硅基纳米线微环（l 4）、第六输入光波导（41）、第四直通光波导（43）、第三下载光波导（42）和第四下载光波导（44）；第四硅基纳米线微环（l 4）位于直角坐标系的第四象限；第六输入光波导（41）和第四直通光波导（43）沿远离第二直波导的方向依次位于第一直波导上；第四下载光波导（44）位于第二直波导上，第三下载光波导（42）位于第三直波导上；第六输入光波导（41）与第三直通光波导（33）相连；第三下载光波导（42）与第三输入光波导（22）相连；第四下载光波导（44）与第五输入光波导（32）相连；第四微环谐振器（4）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器。
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