基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種特別適用于將來的光信息處理領(lǐng)域的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件。本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件是由n個(gè)邏輯器件運(yùn)算單元和一個(gè)直波導(dǎo)構(gòu)成，其中的每個(gè)邏輯運(yùn)算單元是由N個(gè)微環(huán)MRR構(gòu)成，各微環(huán)MRR與線波導(dǎo)相耦合。本發(fā)明的器件利用了光的自然特性可以實(shí)現(xiàn)高速大容量的信息處理，同時(shí)利用成熟的工藝技術(shù)，使得器件的集成度高、體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成，以期望在光信息處理中發(fā)揮重要的作用。
【專利說明】基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光信息處理器件，特別是一種基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，該器件特別適用于將來的光信息處理領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，芯片或集成電路的集成度越來越高，CPU已經(jīng)可以獲得GHZ級(jí)的工作主頻，但是高主頻帶來的最嚴(yán)重問題是單位面積電路的功耗急劇上升，與此同時(shí)由于集成元件的尺寸進(jìn)一步縮小，漏電與散熱問題也無法很好的解決，摩爾定律神話正在不斷的受到挑戰(zhàn)。種種跡象表明，采用電子做信息載體已經(jīng)不能滿足人們對(duì)更快的處理速度的要求，而光通信和光計(jì)算系統(tǒng)以光子作為信息載體，用光互連代替導(dǎo)線互連、光子硬件代替電子硬件、以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，由光纖與各種光學(xué)元件構(gòu)成集成光路，從而可以大大提高對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)的能力，已經(jīng)引起了越來越多的科研人員的注意。可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件是光信息處理中的重要組成部分。普通的邏輯器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是針對(duì)某種邏輯功能而提出的邏輯結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不具有普適性。為了更方便的實(shí)現(xiàn)其他更復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，需要有一種可實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)邏輯函數(shù)運(yùn)算的器件。本發(fā)明提出的一種基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成、功耗較低、體積小、延時(shí)小、速度快，在不久的將來可能在光子計(jì)算機(jī)中的高性能處理單元中發(fā)揮著重要作用。到目前為止還沒有見到國內(nèi)國外具有類似功能器件的報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，本發(fā)明的這種基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算，給實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯運(yùn)算帶來了很大方便。
[0004]本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件是由η個(gè)邏輯器件運(yùn)算單元和直波導(dǎo)構(gòu)成，其中的每個(gè)邏輯運(yùn)算單元是由N個(gè)微環(huán)MRR構(gòu)成，各微環(huán)MRR與直波導(dǎo)相f禹合。
[0005]本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件中，各微環(huán)MRR用硅基納米線波導(dǎo)制作，直波導(dǎo)為納米線波導(dǎo)。
[0006]本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件中，相鄰的兩個(gè)微環(huán)諧振器MRR間有可阻止兩微環(huán)間產(chǎn)生熱串?dāng)_的間隔或絕緣物。
[0007]本發(fā)明的實(shí)施例中的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，中的微環(huán)諧振器MRR為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振器。
[0008]本發(fā)明的器件采用絕緣體上的硅SOI材料制備。
[0009]本發(fā)明的器件，其輸入是待運(yùn)算的電信號(hào)和一個(gè)多波長的連續(xù)光信號(hào)，輸出的是對(duì)電信號(hào)邏輯運(yùn)算后的光信號(hào)，其中各微環(huán)諧振器MRR的基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振器MRR光開關(guān)，其運(yùn)算的過程是:在器件的一個(gè)光學(xué)端口輸入多波長的連續(xù)激光，待運(yùn)算的電信號(hào)分別根據(jù)I和O的狀態(tài)以高低電平的形式加載在MRR上，在信號(hào)輸出端口以光邏輯的形式輸出與輸入的電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果，從而完成任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算。
[0010]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明提供的硅基集成化的多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，利用了光的自然特性可以實(shí)現(xiàn)高速大容量的信息處理；利用了成熟的工藝技術(shù)，使得器件的集成度高、體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成，以期望在光信息處理中發(fā)揮重要的作用。
[0011]2、本發(fā)明提供的硅基集成化的多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件結(jié)構(gòu)中每個(gè)基于微環(huán)諧振器的光開關(guān)都是獨(dú)立的，且所有的開關(guān)都是同時(shí)并行工作，這就意味著每個(gè)開關(guān)的延時(shí)并不會(huì)積累，而且最終校驗(yàn)的結(jié)果是以光束的形式在光學(xué)輸出端輸出，故整個(gè)器件的處理速度相對(duì)與電學(xué)器件而言要快很多，因此在光信息處理中有很好的應(yīng)用前景。
[0012]

【專利附圖】

【附圖說明】
附圖1為本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖，端口 Input為多波長的連續(xù)光信號(hào)，為光信號(hào)的輸出端，待處理的電信號(hào)分別加載在微環(huán)上。
[0013]附圖2是邏輯運(yùn)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖，N個(gè)MRR與納米線波導(dǎo)相耦合。虛線的微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振，加載低電平電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振；實(shí)線微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振，當(dāng)加載低電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振。
[0014]附圖3為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振器MRR的電極結(jié)構(gòu)示意圖，在電極上施加電壓，通過產(chǎn)生熱量或者改變材料中的載流子濃度來改變環(huán)形波導(dǎo)的群折射率從而改變MRR的諧振波長，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波。

【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]本發(fā)明的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，由nXN個(gè)環(huán)形波導(dǎo)和一個(gè)真波導(dǎo)構(gòu)成，參見附圖1，其基本結(jié)構(gòu)為基于MRR的光開關(guān)，僅由一種結(jié)構(gòu)的MRR構(gòu)成，采用硅基納米線波導(dǎo)制作，由用絕緣體上的半導(dǎo)體材料制成，每個(gè)微環(huán)諧振器MRR與納米線波導(dǎo)相耦合。相鄰的兩個(gè)微環(huán)諧振器MRR間有可阻止兩者間產(chǎn)生熱串?dāng)_的間隔或絕緣。本發(fā)明中當(dāng)N大于I時(shí)，為減小器件的體積可將采用多個(gè)直波導(dǎo)與MRR相偶合，而各直波導(dǎo)間用光滑彎曲的另一波導(dǎo)相互聯(lián)接，構(gòu)成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例中的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR結(jié)構(gòu)見圖3。
[0018]本發(fā)明器件的輸入是待處理的電信號(hào)序列和一個(gè)多波長處的連續(xù)光信號(hào)，輸出的是對(duì)電信號(hào)運(yùn)算后的光信號(hào)，其中各微環(huán)諧振器MRR的基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振器MRR光開關(guān),其處理的過程是:在器件的一個(gè)光學(xué)端口輸入多波長的連續(xù)激光，待運(yùn)算的N位二進(jìn)制電信號(hào)作用于nXN個(gè)MRR，圖1中虛線的微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振，加載低電平電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振；實(shí)線微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振，當(dāng)加載低電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振，在信號(hào)輸出端口就以光邏輯的形式輸出與N位輸入的電信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算。
[0019]有N個(gè)待運(yùn)算的電信號(hào)輸入和一個(gè)多波長的連續(xù)光輸入，輸出是對(duì)N個(gè)電信號(hào)序列進(jìn)行運(yùn)算后的可以在光纖中傳輸直接進(jìn)入下一級(jí)的信息處理的光信號(hào)。虛線的微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振，加載低電平電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振；實(shí)線微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振，當(dāng)加載低電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振。在光信號(hào)的輸出端可以得到任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算結(jié)果。
[0020]本發(fā)明的MRR結(jié)構(gòu)，可以采用S01、SIN、II1- V族材料實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明優(yōu)化的方案是基于SOI材料實(shí)現(xiàn)的，其突出的優(yōu)點(diǎn)是；工藝?yán)矛F(xiàn)成的CMOS工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成。
[0021]本發(fā)明的性能優(yōu)點(diǎn)與它所采用的材料屬性及器件的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。
[0022]在材料方面:本發(fā)明采用的是絕緣襯底上的娃(Silicon-On-1nsulator, SOI)材料。SOI是指在S12絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜，其工藝與現(xiàn)在微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CMOS工藝是兼容的。利用SOI材料制成的硅波導(dǎo)，其芯層是Si (折射率為
3.45)，包層是S12 (折射率為1.44)，這樣包層和芯層的折射率差很大，所以該波導(dǎo)對(duì)光場的限制能力很強(qiáng)使得其彎曲半徑可以很小。
[0023]在結(jié)構(gòu)方面:本發(fā)明的基本單元為基于硅基納米線波導(dǎo)的微環(huán)諧振器，它是一種功能多樣，性能優(yōu)越，近年來被廣泛研究的集成光學(xué)元件。由于環(huán)形波導(dǎo)的半徑可以小至1.5微米，從而使器件的面積很小，在一塊芯片上可以制作出多個(gè)器件。傳統(tǒng)波導(dǎo)器件(如LiNbO3)的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級(jí)，占用芯片面積較大，一塊芯片上通常只能放下一個(gè)器件。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以實(shí)現(xiàn)器件高密度集成，減少分立器件耦合時(shí)的損耗，同時(shí)降低器件的封裝成本。
[0024]下面通過分析光信號(hào)在圖2所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其工作原理: 任何一個(gè)邏輯運(yùn)算的表達(dá)式都可以化為的形式，其中分別表示η個(gè)操作數(shù)的‘與，運(yùn)算
(例如:)。設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)的原則是首先分別實(shí)現(xiàn)，然后實(shí)現(xiàn)從而就實(shí)現(xiàn)了任意邏輯函數(shù)的運(yùn)算。
[0025]A1, A2分別表示MRRl和MRR2的諧振波長所在位置。工作波長選在λ:處，以等離子色散效應(yīng)的電光調(diào)制方案來說明其工作原理。波長為工作波長λ i單色連續(xù)激光輸入到圖2的輸入端。當(dāng)MRR2在加高電平時(shí)其諧振波長從λ2移到X1(加高電平，載流子注入波導(dǎo)區(qū)，波導(dǎo)的折射率變小，諧振波長從長波向短波移動(dòng))，通過這種定義，對(duì)MRRl而言，電信號(hào)為O時(shí)光信號(hào)為O,電信號(hào)為I時(shí)光信號(hào)為1，對(duì)MRR2而言，電信號(hào)為O時(shí)光信號(hào)為I，電信號(hào)為I時(shí)光信號(hào)為0.所以在直通端(Through)可以得到邏輯運(yùn)算:，表示加載在MRR1，MRR2上的待操作數(shù)，虛線的微環(huán)諧振器表示當(dāng)加載在微環(huán)上的電壓為高電平(待操作數(shù)為I)時(shí)，微環(huán)諧振器在工作波長處處于諧振狀態(tài)；實(shí)線的微環(huán)諧振器表示當(dāng)加載在微環(huán)上的電壓為低電平(待操作數(shù)為0)時(shí)，微環(huán)諧振器在工作波長處處于諧振狀態(tài)。根據(jù)類似的定義，圖2的直通端可得邏輯運(yùn)算，其中分別表示加載在MRRl，MRR2, MRR3……MRRn上待運(yùn)算的操作數(shù)。
[0026]圖3所示為MRR的熱調(diào)制機(jī)構(gòu)，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng發(fā)生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。
[0027]圖1是基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖。在光信號(hào)輸入端Input輸入是多波長連續(xù)光信號(hào)(CW)，虛線的微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振，加載低電平電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振；實(shí)線微環(huán)表示當(dāng)微環(huán)加載高電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處不諧振，當(dāng)加載低電平時(shí)，微環(huán)在工作波長處諧振。此結(jié)構(gòu)由一條波導(dǎo)和η個(gè)邏輯運(yùn)算單元組成，每個(gè)運(yùn)算單元由N個(gè)微環(huán)構(gòu)成，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)總共有個(gè)微環(huán)。工作原理:多波長的光信號(hào)輸入到輸入端，待運(yùn)算的電信號(hào)分別加載在對(duì)應(yīng)的微環(huán)上，如圖在運(yùn)算單元#1的直通端位置可得Y1，在運(yùn)算單元#2的直通端位置可得
1,+12,如此級(jí)聯(lián)下去，在運(yùn)算單元#n的直通端Y可得，即該結(jié)構(gòu)可以完成任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算。
[0028]需要說明的是:在器件工作過程中，待校驗(yàn)的N個(gè)電學(xué)信號(hào)在時(shí)間上必須精確同步。在高速系統(tǒng)中，需要通過特殊的電極設(shè)計(jì)、特殊的布局布線及電磁兼容分析來達(dá)到同步要求。
[0029]以上所述的具體實(shí)施例，僅是對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果的進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)指出的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0030]本發(fā)明的硅基集成化的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，待運(yùn)算的電信號(hào)的邏輯值在時(shí)間上要精確對(duì)齊，各個(gè)邏輯值在時(shí)間上精確同步。
[0031]本發(fā)明的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR，在信號(hào)傳輸速率(兆量級(jí)以下)要求不高的情況下可以采用熱調(diào)制，在高速(吉量級(jí))傳輸系統(tǒng)需要采用電調(diào)制。
[0032]上述方案中，該基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的運(yùn)算過程是:器件的一個(gè)端口輸入多波長的連續(xù)激光，待運(yùn)算的電信號(hào)分別加載在對(duì)應(yīng)的微環(huán)上。如圖1在運(yùn)算單元#1的直通端位置可得yi，在運(yùn)算單元#2的直通端位置可得yi+y)如此級(jí)聯(lián)下去，在運(yùn)算單元#n的直通端Y可得yi+y2+......+yn,即該結(jié)構(gòu)可以完成任意一個(gè)邏輯函數(shù)的運(yùn)算，這也是本發(fā)明的目的所在。
[0033]本發(fā)明中，待運(yùn)算的電信號(hào)序列(加在微環(huán)上的電信號(hào))在時(shí)間上需要精確對(duì)齊，即在時(shí)間上精確同步。在高速工作模式下，需要對(duì)電極進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)及電磁兼容方面的分析與模擬。
[0034]本發(fā)明中，所述光信號(hào)可以在光纖中傳輸直接進(jìn)入下一級(jí)進(jìn)行處理。
【權(quán)利要求】
1.基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，其特征在于由η個(gè)邏輯器件運(yùn)算單元和一個(gè)直波導(dǎo)構(gòu)成，其中的每個(gè)邏輯運(yùn)算單元是由N個(gè)微環(huán)MRR構(gòu)成，各微環(huán)MRR與直波導(dǎo)相耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，其特征在于微環(huán)MRR用硅基納米線波導(dǎo)制作，直波導(dǎo)為納米線波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，其特征在于相鄰的兩個(gè)微環(huán)諧振器MRR間有可阻止兩微環(huán)間產(chǎn)生熱串?dāng)_的間隔或絕緣物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中所述的任一基于多波長單波導(dǎo)多環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)導(dǎo)向邏輯器件，其特征在于微環(huán)諧振器MRR為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)或電調(diào)制機(jī)構(gòu)的微環(huán)諧振器。
5.權(quán)利要求1至4所述的器件的制備方法，其特征在于采用絕緣體上的硅SOI材料制備。
【文檔編號(hào)】G02F3/00GK104238233SQ201410474060
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】田永輝, 吳小所, 趙永鵬, 李德釗, 楊建紅 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)