一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件制造技术

本发明专利技术提供了种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，其特征在于，该控制交换门光学逻辑器件由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。该控制交换门光学逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，本发明专利技术控制交换门光学逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在光子计算机中发挥重要的作用。

A control logic logic device for switched gate based on microring resonator

The present invention provides a switching door optical logic device control based on microring resonator, which is characterized in that the door control switch is composed of four optical logic devices made of semiconductor material on insulator microring resonator MRR and 5 Y branch coupler composed of three input, which is the electric signal to be operational and a at the operating wavelength continuous light signal, the output is controlled by switching optical signals to electrical signals after the calculation of the door, the optical signal in the optical fiber transmission can be directly to the next level of optical information processing. The door control switch optical logic device three for calculation of electric pulse sequence input, output is calculated after the light pulse sequence, the invention controls the switching gate optical logic device fabrication process is fully compatible with COMS process, so that the device has the advantages of small size, high speed, low power consumption, ease of integration, is expected to play an important role in the photon computer.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件
本专利技术属于光学逻辑计算领域，涉及一种适用于光通信和光计算领域的基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件。
技术介绍
现有的计算机由电子传递和处理信息。随着半导体工艺技术的进步，晶体管的尺寸越来越小，芯片上可集成的晶体管数目越来越多，在CPU获得更高主频的同时，功耗急剧上升，并且漏电与散热问题无法解决。从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体已不能满足人们对计算机更快的处理速度的要求，表明提高现有的计算机运算速度的能力有限。这也就是说用集成电路方式实现的微处理器的发展，已经难以继续沿着摩尔定律指出的路线走下去。光子计算机用光互连代替导线互连，光硬件代替电子硬件，光运算代替电运算，以光子作为传递信息的载体，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路进行数据运算、传输和存储，光子计算机表现出更优越的性能。在光子计算机中，用光学方式实现信息处理的最大优点是并行性高，数据吞吐量大——这是由光的物理属性决定的。光子计算机可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。计算机运算都是二进制数计算，而现有的传统不可逆逻辑器件，主要是二输入一输出的非可逆逻辑门，输入信息经过该门就会丢失一个输出信息位，早在1960年R.Landauer就已经证明了不可逆计算每一次运算都会引起比特位的丢失，并且每丢失一比特信息就会有kTln2热能散发，室温下虽然能量散失很少，但对于低功耗器件设计不能忽略。同时，能耗产生的热量会极大地限制芯片的性能和计算速度。而可逆逻辑器件由于既能传递逻辑门的输出值，也能传递它的输入值，不会有信息位丢失，因此没有比特位丢失，这样可以很好的解决由比特位丢失引起的热能散发问题，从而大大降低计算机在逻辑上的能耗，提高计算速度。控制交换门的真值表输入与输出是一一对应的关系，给定输入可以确定其输出，同时给定输出可以找到唯一的输入与之对应，从而根据可逆逻辑的定义可以知道该门是可逆逻辑门。与此同时，控制交换门还是一个通用逻辑门，因为它可以模拟任意经典线路如：与、或、非等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，不需要使用强激光作为泵浦光，易于操作。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。本专利技术控制交换门光学逻辑器件具有如下优点：1、利用光的自然特性实现的控制交换门光学逻辑器件代替传统的电学逻辑器件，没有传统电学器件的电磁效应以及寄生电阻电容的影响，从而可以实现高速大容量的信息处理。2、利用光的自然特性实现的控制交换门光学逻辑器件代替传统的逻辑器件，可以实现控制交换门逻辑运算，且没有传统逻辑器件比特位丢失引起的热能散发，从而可以大大降低计算机在逻辑上的能耗。3、采用的是绝缘衬底上的硅材料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，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1.45），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，利于大规模集成。4、采用现有的CMOS工艺制成，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与其他元件整合。5、该控制交换门光学逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，该交换门光学逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在光子计算机中发挥重要的作用。附图说明图1是本专利技术光学逻辑器件的结构示意图。图2是本专利技术光学逻辑器件中第一Y分支耦合器的结构示意图。图3是本专利技术光学逻辑器件中第一微环谐振器的结构示意图。图4是本专利技术光学逻辑器件中第二微环谐振器的结构示意图。图5是本专利技术光学逻辑器件中第二Y分支耦合器的结构示意图。图6是本专利技术光学逻辑器件中第三Y分支耦合器的结构示意图。图7是本专利技术光学逻辑器件中第三微环谐振器的结构示意图。图8是本专利技术光学逻辑器件中第四微环谐振器的结构示意图。图9是本专利技术光学逻辑器件中第四Y分支耦合器的结构示意图。图10是本专利技术光学逻辑器件中第五Y分支耦合器的结构示意图。图11是本专利技术光学逻辑器件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12是本专利技术光学逻辑器件中带硅基电光调制器的微环谐振MRR的电极的结构示意图。图中：1.第一Y分支耦合器，2.第一微环谐振器，3.第二微环谐振器，4.第二Y分支耦合器，5.第三Y分支耦合器，6.第三微环谐振器，7.第四微环谐振器，8.第四Y分支耦合器，9.第五Y分支耦合器，10.Si衬底，14.SiO2层，15.发热电极，16.硅基光波导，T.光卸载端口；11.第一输入光波导，12.第一直通光波导，13.第二直通光波导，41.第二输入光波导，42.第三直通光波导，43.第四直通光波导，51.第三输入光波导，52.第五直通光波导，53.第六直通光波导，81.第七直通光波导，82.第八直通光波导，83.第一输出光波导，91.第九直通光波导，92.第十直通光波导，93.第二输出光波导。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术光学逻辑器件，包括结构如图2所示的第一Y分支耦合器1，第一Y分支耦合器1由第一输入光波导11、第一直通光波导12和第二直通光波导13构成，第一输入光波导11的一端接光信号输入，第一输入光波导11的另一端分别与第一直通光波导12的一端和第二直通光波导13的一端相连接；结构如图3所示的第一微环谐振器2，第一微环谐振器2由第一硅基纳米线微环R1和第一直波导组成，该第一直波导输入端21与第一直通光波导12的另一端相连接，第一直波导直通端22为本专利技术光学逻辑器件的光输出端X；第一微环谐振器2带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；结构如图4所示第二微环谐振器3，第二微环谐振器3由第二硅基纳米线微环R2、第二直波导和第三直波导组成，第二直波导和第三直波导平行设置，第二硅基纳米线微环R2位于第二直波导和第三直波导之间，第二直波导输入端31与第二直通光波导13相连，第二直波导直通端32与第三Y分支耦合器5相连；第三直波导下载端33与第二Y分支耦合器4相连，第三直波导上还设有光卸载端口T；第二微环谐振器3带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；结构如图5所示的第二Y分支耦合器4，第二Y分支耦合器4由第二输入光波导41、第三直通光波导42和第四直通光波导43组成，第二输入光波导41的一端与第三直波导下载端33相连，第二输入光波导41的另一端分别与第三直通光波导42的一端和第四直通光波导43的一端相连，第三直通光波导42的另一端与第三微环谐振器6相连，第四直通光波导的另一端43与第四微环谐振器7相连；结构如图6所示的第三Y分支耦合器5，第三Y分支耦合器5由第三输入光波导51、第五直通光波导52和第六直通光波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，其特征在于，该控制交换门光学逻辑器件由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，其特征在于，该控制交换门光学逻辑器件由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，其特征在于，所述的四个微环谐振器为第一微环谐振器（2）、第二微环谐振器（3）、第三微环谐振器（6）和第四微环谐振器（7），所述的5根Y分支耦合器为第一Y分支耦合器（1）、第二Y分支耦合器（4）、第三Y分支耦合器（5）、第四Y分支耦合器（8）和第五Y分支耦合器（9）；第一Y分支耦合器（1）由第一输入光波导（11）、第一直通光波导（12）和第二直通光波导（13）构成，第一输入光波导（11）的一端接光信号输入，第一输入光波导（11）的另一端分别与第一直通光波导（12）的一端和第二直通光波导（13）的一端相连接；第一微环谐振器（2）由第一硅基纳米线微环（R1）和第一直波导组成，该第一直波导输入端（21）与第一直通光波导（12）的另一端相连接，第一直波导直通端（22）为光学逻辑器件的光输出端X；第一微环谐振器（2）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；第二微环谐振器（3）由第二硅基纳米线微环（R2）、第二直波导和第三直波导组成，第二直波导和第三直波导平行设置，第二硅基纳米线微环（R2）位于第二直波导和第三直波导之间，第二直波导输入端31）与第二直通光波导（13）相连，第二直波导直通端（32）与第三Y分支耦合器（5）相连；第三直波导下载端（33）与第二Y分支耦合器（4）相连，第三直波导上还设有光卸载端口（T）；第二微环谐振器（3）带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；第二Y分支耦合器（4）由第二输入光波导（41）、第三直通光波导（42）和第四直通光波导（43）组成，第二输入光波导（41）的一端与第三直波导下载端（33）相连，第二输入光波导（41）的另一端分别与第三直通光波导（42）的一端和第四直通光波导（43）的一端相连，第三直通光波导（42）的另一端与第三微环谐振器（6）相连，第四直通光波导的另一端（43）与第四微环...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永辉，刘子龙，李德钊，赵永鹏，赵国林，肖恢芙，杨建红，吴小所，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62