一種n位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光通信【技術(shù)領(lǐng)域】的奇偶校驗(yàn)技術(shù)。本發(fā)明的電光奇偶校驗(yàn)器由用絕緣體上的半導(dǎo)體材料制成的N個(gè)微環(huán)諧振器MRR和兩個(gè)彎曲的納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)微環(huán)諧振器MRR分別與兩個(gè)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。相對(duì)電學(xué)奇偶校驗(yàn)器本發(fā)明器件具有體積小、功耗低、速度快、擴(kuò)展性好、便于與電學(xué)元件集成等優(yōu)勢(shì)，在光通信網(wǎng)絡(luò)中將有很好的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，該器件特別適用于將來(lái)的光通信和光計(jì)算領(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(lái)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(lái)的最嚴(yán)重問(wèn)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(wèn)題也無(wú)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(lái)越多的科研人員的注意。
[0003]電光奇偶校驗(yàn)器是光通信和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中必不可少的元件。傳統(tǒng)的電學(xué)奇偶校驗(yàn)器是采用門電路實(shí)現(xiàn)，其在功耗、延時(shí)等方面都存在很大的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明在于提供一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，以解決傳統(tǒng)電學(xué)奇偶校驗(yàn)器中的速度、功耗、門延時(shí)以及由門延時(shí)而帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)等瓶頸問(wèn)題，期望其在保持器件體積小、功耗低和易集成的前提下在將來(lái)的光子通信和計(jì)算系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，該電光奇偶校驗(yàn)器由用絕緣體上的半導(dǎo)體材料制成的N個(gè)微環(huán)諧振器MRR(microring resonator)和兩個(gè)彎曲的納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)微環(huán)諧振器MRR分別與兩個(gè)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，其輸入是N位待校驗(yàn)的二進(jìn)制電信號(hào)序列和一個(gè)處于工作波長(zhǎng)處的連續(xù)光信號(hào)，輸出的是對(duì)電信號(hào)校驗(yàn)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)，其校驗(yàn)的過(guò)程是:在器件的一個(gè)光學(xué)端口輸入特定工作波長(zhǎng)的連續(xù)激光，待校驗(yàn)的N位二進(jìn)制電信號(hào)分別作用于N個(gè)MRR，并根據(jù)I和O的狀態(tài)以高低電平的形式作用在MRR上，在信號(hào)輸出端口以光邏輯的形式輸出與N位輸入的電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)結(jié)果，從而完成了 N位二進(jìn)制的電光校驗(yàn)。
[0006]本發(fā)明的一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器可采用絕緣體上的硅SOI (SiIicon-on-1nsulator)材料制備。
[0007]本發(fā)明的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，待校驗(yàn)的N位二進(jìn)制電信號(hào)對(duì)各自的MRR的作用方式如下:當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號(hào)為邏輯“O”時(shí)，MRR在工作波長(zhǎng)處不諧振，光信號(hào)直通；當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號(hào)為邏輯“I”時(shí)，MRR在工作波長(zhǎng)處諧振，光信號(hào)下路。
[0008]本發(fā)明的硅基集成化的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，待校驗(yàn)的N個(gè)二進(jìn)制電信號(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。[0009]本發(fā)明在應(yīng)用中輸入的N個(gè)二進(jìn)制電信號(hào)是待校驗(yàn)的電學(xué)邏輯的序列，輸出的是校驗(yàn)后的光信號(hào)。
[0010]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。
[0011]上述方案中，該奇偶校驗(yàn)器實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的校驗(yàn)過(guò)程是:器件的一個(gè)端口輸入特定工作波長(zhǎng)的連續(xù)光，輸入電學(xué)信號(hào)是任意N位二進(jìn)制組合。當(dāng)輸入邏輯序列中有奇數(shù)個(gè)邏輯I時(shí)，奇校驗(yàn)輸出端P。為1，偶校驗(yàn)輸出端Pe為O ;當(dāng)輸入邏輯序列中有偶數(shù)個(gè)I時(shí)，奇校驗(yàn)輸出端P。為O,偶校驗(yàn)輸出端Pe為I。這樣在器件的兩個(gè)光信號(hào)輸出端分別得到與加載在N個(gè)微環(huán)上的調(diào)制電信號(hào)序列相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信號(hào)輸出。器件就完成了 N位電學(xué)信號(hào)輸入到2位光學(xué)信號(hào)的奇偶校驗(yàn)輸出，這也是本發(fā)明的目的所在。
[0012]本發(fā)明中，待校驗(yàn)的N位電信號(hào)序列(分別加在N個(gè)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。
[0013]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。
[0014]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N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，利用了光的自然特性實(shí)現(xiàn)的電光奇偶校驗(yàn)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電學(xué)奇偶校驗(yàn)器，從而可以實(shí)現(xiàn)高速大容量的信息處理。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，以期望在光通信和光計(jì)算系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。
[0015]2、本發(fā)明提供的硅基集成化的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，使用該器件可以對(duì)電信號(hào)進(jìn)行光學(xué)奇偶校驗(yàn)。在該結(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)器件的校驗(yàn)速度相對(duì)與電學(xué)奇偶校驗(yàn)器而言要快很多。在光通信和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中有很好的應(yīng)用前景。
[0016]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
附圖1為本發(fā)明的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)示意圖，端口 Input為單色連續(xù)光信號(hào)的輸入端，Pe、P。分別為光信號(hào)的輸出端，待校驗(yàn)的N個(gè)電信號(hào)分別加載在N個(gè)微環(huán)上。
[0017]附圖2是單個(gè)的MRR與兩個(gè)納米線波導(dǎo)相耦合的結(jié)構(gòu)示意圖，在輸入端(I)輸入特定波長(zhǎng)的光波(滿足諧振條件的光波)，光波會(huì)被MRR下載,在下載端(3)輸出，對(duì)于其他波長(zhǎng)的光波(不滿足諧振條件的光波)會(huì)毫無(wú)影響的在直通端(2)輸出。
[0018]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(guò)產(chǎn)生熱量或者改變材料中的載流子濃度來(lái)改變環(huán)形波導(dǎo)的群折射率從而改變MRR的諧振波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波。
【具體實(shí)施方式】
[0019]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(shuō)明。
[0020]本發(fā)明的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，由N個(gè)環(huán)形波導(dǎo)和兩個(gè)彎曲波導(dǎo)構(gòu)成，參見了附圖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)體材料制成的N個(gè)微環(huán)諧振器MRR和兩個(gè)彎曲的納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)微環(huán)諧振器MRR分別與兩個(gè)納米線波導(dǎo)相耦合，參見附圖2。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。
[0021]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結(jié)構(gòu)見圖3。
[0022]本發(fā)明器件的輸入是N位待校驗(yàn)的二進(jìn)制電信號(hào)序列和一個(gè)處于工作波長(zhǎng)處的連續(xù)光信號(hào)，輸出的是對(duì)電信號(hào)校驗(yàn)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)，其校驗(yàn)的過(guò)程是:在器件的一個(gè)光學(xué)端口輸入特定工作波長(zhǎng)的連續(xù)激光，待校驗(yàn)的N位二進(jìn)制電信號(hào)分別作用于N個(gè)MRR，并根據(jù)I和O的狀態(tài)以高低電平的形式作用在MRR上，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)相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)結(jié)果，從而完成了 N位二進(jìn)制的電光校驗(yàn)。
[0023]有N個(gè)待校驗(yàn)的電信號(hào)輸入和一個(gè)處于工作波長(zhǎng)的連續(xù)光輸入，輸出是對(duì)N個(gè)電信號(hào)序列進(jìn)行校驗(yàn)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)。假定加載在微環(huán)上的調(diào)制電壓為高電平時(shí)MRR諧振，低電平時(shí)MRR不諧振，則在光信號(hào)的輸出端可以得到N位電學(xué)輸入信號(hào)的光學(xué)校驗(yàn)，從而該器件就完成了 N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)的功能。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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SiO2絕緣層上生長(zhǎng)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SiO2 (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(chǎng)的限制能力很強(qiáng)使得其彎曲半徑可以很小。
[0027]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(lái)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。
[0028]下面通過(guò)分析光信號(hào)在圖2所示的MRR中的傳輸過(guò)程，簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理(1、2端口之間的直波導(dǎo)稱為a，3、4端口之間的直波導(dǎo)稱為b ):
假定光信號(hào)從輸入端I輸入，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合區(qū)(在直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)距離最近處的一個(gè)范圍)時(shí)，光信號(hào)通過(guò)倏逝場(chǎng)耦合作用會(huì)耦合進(jìn)入微環(huán)中，滿足諧振條件UX λ =NgX2 n XR)的光信號(hào)會(huì)被MRR下載,信號(hào)從下載端3輸出，對(duì)于不滿足諧振條件的信號(hào)將會(huì)通過(guò)耦合區(qū)在直通端2輸出。端口 4稱之為上載端。該MRR是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如果光信號(hào)從上載端4輸入，其原理是與光信號(hào)從輸入端I輸入是一樣的，這里不再重述。
[0029]上面分析的是MRR的靜態(tài)工作特性，即MRR會(huì)固定地使某些波長(zhǎng)信號(hào)下路(滿足諧振條件的波長(zhǎng))，某些波長(zhǎng)信號(hào)直通(不滿足諧振條件的波長(zhǎng))。實(shí)際工作時(shí)，需要MRR諧振波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)可調(diào)(即動(dòng)態(tài)濾波)以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。通過(guò)上面的諧振條件UX λ =NgX2Ji XR)可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波，可以改變的物理量有環(huán)形波導(dǎo)的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之后就確定下來(lái)，無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。只能通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng來(lái)改變MRR的諧振波長(zhǎng)。群折射率隨材料的折射率變化而變化。一般可以采取兩種方法來(lái)改變材料的折射率從而改變材料的群折射率:一是通過(guò)對(duì)材料加熱(具體辦法是在硅波導(dǎo)上通過(guò)MOCVD淀積一層金屬作為加熱熱極，然后對(duì)熱極兩端加電壓)改變材料的溫度從而改變材料的折射率也即是所謂的熱光效應(yīng)。二是通過(guò)載流子注入來(lái)改變材料的折射率(電光效應(yīng))。一般在高速系統(tǒng)中采用電光效應(yīng)。本發(fā)明是通過(guò)熱極對(duì)硅波導(dǎo)加熱來(lái)改變材料的折射率從而動(dòng)態(tài)選擇需要下載的光信號(hào)及需要直通的光信號(hào)，使得光信號(hào)可以在動(dòng)態(tài)控制下在下載端或者在直通端輸出。
[0030]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(chǎng)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(zhǎng)λ隨之變化。
[0031]圖1是硅基集成化的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。在光信號(hào)輸入端Input輸入處于工作波長(zhǎng)的單色連續(xù)光信號(hào)(CW)，然后分別對(duì)N個(gè)微環(huán)加載上調(diào)制電壓對(duì)微環(huán)加熱從而改變微環(huán)的諧振波長(zhǎng)。假如微環(huán)在調(diào)制電壓為高電平時(shí)諧振，則調(diào)制電壓為高電平時(shí)，光信號(hào)將從下載端輸出，調(diào)制電壓為低電平時(shí)，光信號(hào)將從直通端輸出。高電平用邏輯‘I’表示，低電平用邏輯‘0’表示，對(duì)于光信號(hào):輸出光功率較高用邏輯‘I’表示，輸出光功率較低用邏輯‘0’表示。N個(gè)MRR分別用H……表示。經(jīng)過(guò)以上定義，由器件的結(jié)構(gòu)示意圖得到:對(duì)于N個(gè)電學(xué)信號(hào)的2N種不同組合狀態(tài)(N位從全O到全I(xiàn))有兩種不同的光學(xué)組合(O 1,1 O)狀態(tài)與之對(duì)應(yīng)。原理如下:當(dāng)N位電學(xué)信號(hào)為0...0O時(shí)(第一、二、三、四一直到第N位邏輯值分別表不加在Rp R2、…、Rh、Rn上的電平)，札、R2>…、IVpRn都不諧振，光學(xué)輸出端口 P。的狀態(tài)為0，Pe的狀態(tài)為1，所以光信號(hào)輸出端口的組合狀態(tài)是O I。對(duì)于其他2n -1個(gè)狀態(tài)同理可得。這樣本發(fā)明就完成了 N位二進(jìn)制奇偶校驗(yàn)器的功能。其邏輯真值表如下:
【權(quán)利要求】
1.一種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，其特征在于該電光奇偶校驗(yàn)器由用絕緣體上的半導(dǎo)體材料制成的N個(gè)微環(huán)諧振器MRR和兩個(gè)彎曲的納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)微環(huán)諧振器MRR分別與兩個(gè)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，其輸入是N位待校驗(yàn)的二進(jìn)制電信號(hào)序列和一個(gè)處于工作波長(zhǎng)處的連續(xù)光信號(hào)，輸出的是對(duì)電信號(hào)校驗(yàn)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),其校驗(yàn)的過(guò)程是:在器件的一個(gè)光學(xué)端口輸入特定工作波長(zhǎng)的連續(xù)激光，待校驗(yàn)的N位二進(jìn)制電信號(hào)分別作用于N個(gè)MRR，并根據(jù)I和O的狀態(tài)以高低電平的形式作用在MRR上，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)相對(duì)應(yīng)的奇偶校驗(yàn)結(jié)果，從而完成了 N位二進(jìn)制的電光校驗(yàn)。
2.—種N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，其特征在于該電光奇偶校驗(yàn)器用絕緣體上的硅SOI材料制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，其特征在于待校驗(yàn)的N位二進(jìn)制電信號(hào)對(duì)各自的MRR的作用方式如下:當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號(hào)為邏輯“O”時(shí)，MRR在工作波長(zhǎng)處不諧振，光信號(hào)直通；當(dāng)加在微環(huán)上的調(diào)制電信號(hào)為邏輯“I”時(shí)，MRR在工作波長(zhǎng)處諧振，光信號(hào)下路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基集成化的N位二進(jìn)制電光奇偶校驗(yàn)器，其特征在于:待校驗(yàn)的N個(gè)二進(jìn)制電信號(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。
【文檔編號(hào)】H03M13/11GK103595419SQ201310579907
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19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)