Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法技术

本发明专利技术公开了一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，包括一个Y分支结构的波导和覆盖于波导上方的相变功能单元；逻辑实现方法上采用功率较大的光脉冲对相变功能单元进行写入操作，使之升温并产生晶化或非晶化的相变，从而出现两种状态下光学性质上的差异；采用功率较小的光脉冲对相变功能单元的状态进行读取，同时不改变相变材料的状态。通过对输入逻辑信号分别进行定义，以及定义三个操作步骤，可以实现操作方式可重构逻辑，通过分步操作，在该简单结构中实现全16种二元布尔逻辑计算。本发明专利技术通过操作方式可重构的解决方法，实现16种二元布尔逻辑计算功能，大大提高了逻辑计算的工作效率。大大提高了逻辑计算的工作效率。大大提高了逻辑计算的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法


[0001]本专利技术属于光学、微电子学以及逻辑运算交叉
，更具体地，涉及一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法。

技术介绍

[0002]从计算机的专利技术，到互联网的诞生，再到如今智能手机的普及以及物联网的兴起，信息技术的发展从根本上改变了人们的生活、生产和交流方式。信息技术在给人们带来越来越多便利的同时也产生了爆炸式增长的数据，这对数据存储和计算技术提出了越来越高的要求。而作为人类信息社会基础的半导体技术，在经过了几十年蓬勃发展之后，其工艺水平已经逼近物理极限，摩尔定律即将到达终点，下一代存储与计算技术成为当今工业界与学术界的研究热点。直接利用存储器进行计算操作的存内计算技术，被认为是突破当今计算技术瓶颈的最有前景的方案之一。
[0003]基于忆阻器、相变存储器等新型非易失性存储器的逻辑运算器件研究是存内计算的基础。比如相变存储器随着输入电脉冲的不同可以在晶态和非晶态之间可逆切换，利用两种相态之间电阻的巨大差异来表征逻辑“0”和“1”，而且在外部输入撤销之后，物理状态可以保持，信息的存储具有非易失性。顺应半导体发展而出现的可重构计算技术，可实现算法到计算引擎的空间映射，能够兼容基本处理器驱动方式和高性能的计算，其基本理念在于强调资源的复用，目前已有将可重构概念与忆阻器的非易失性结合而实现多种电学布尔逻辑计算。
[0004]但是电子器件的带宽限制了电子技术发展的上限。光学器件相比于电学器件，有着速度快、带宽大、可以并行操作(波分复用)、对电磁干扰不敏感等优点。目前数据的处理和存储主要还是通过电学器件实现的，互联网数据的传输与处理需要经过光
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电
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光的转换过程，这不仅限制了系统的运行速度，也产生了大量的功耗，严重制约了信息技术的发展。如果可以通过光学方法进行数据存储和处理，即全光信号处理，则可以避免光
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光转换过程，实现低功耗、高速、高带宽、高可靠、大容量的全光信息技术。
[0005]光学方法是突破未来摩尔定律瓶颈的最佳方案之一，具有高速，高带宽等优点。近年来，基于相变材料的光学存储因其非易失性广受关注，相变材料具有两个稳定状态：晶态和非晶态，在这两个状态下相变材料表现出较大的电学与光学性质差异，并且能够在电、热、光的作用下实现两个状态之间的可逆转变，具有高度的可重复性与稳定性。目前，相变光逻辑的研究处于刚刚起步的阶段，虽然已有提出使用相变材料实现光逻辑功能的先例，但是在实现过程中用到了部分电学器件，不属于全光逻辑，其输出也是电学逻辑信号，无法实现在全光路中的级联，在器件组合实现复杂逻辑功能上有所缺陷；并且在一种器件结构中，只能实现两到三种二元布尔逻辑，集成度还有待提升。也有研究工作已经证明了利用单个相变单元实现部分二元光布尔逻辑运算，但是至今仍然无法在单个器件中实现全部的二元全光布尔逻辑运算，这种情况严重阻碍了相变光逻辑的实用化进程。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，旨在解决至今仍然无法在单个器件中实现全部的二元全光布尔逻辑运算，这种情况严重阻碍了相变光逻辑的实用化进程的问题。
[0007]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件，包括：一个Y分支型波导和两个相变功能单元；
[0008]所述Y分支型波导的两个Y分支上分别具有两个凸出的脊；所述两个相变功能单元分别覆盖于所述两个Y分支凸出的脊上；基于倏逝波耦合效应，在Y分支型波导中输入较大功率光脉冲信号，相变功能单元将吸收部分光功率并产生晶化或非晶化的相变，实现写入操作；利用相变功能单元在晶态或非晶态时对检测光信号的透过率不同，实现对其结晶状态的读取；
[0009]通过对相变功能单元的写入和读取操作，所述Y分支型相变全光布尔逻辑器件可实现全部16种二元布尔逻辑计算功能。
[0010]其中，需要说明的是，上述段落中提及的较大功率光脉冲信号，指的是能够使得相变功能单元产生晶化或非晶化相变的光脉冲信号。
[0011]在一个可选的示例中，所述相变功能单元的材料为在不同光脉冲作用下可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物。
[0012]在一个可选的示例中，所述相变功能单元复折射率的实部大于Y分支型波导复折射率的实部，使得Y分支型波导中传播的光有一部分进入相变功能单元传播，之后再汇入Y分支型波导中继续传播；所述相变功能单元复折射率的虚部不为0，使得相变功能单元对其传播的光有吸收。
[0013]所述16种二元布尔逻辑运算包括：逻辑真、逻辑假、P、Q、非P、非Q、P与Q、P与非Q、P或Q、P或非Q、P蕴涵Q、P蕴涵非Q、P逆蕴涵Q、P逆蕴涵非Q、P异或Q以及P同或Q逻辑运算。
[0014]在一个可选的示例中，向所述相变功能单元所在的Y分支侧输入光脉冲信号，所述相变功能单元按照其吸收的光功率情况进行升温，进而可能产生晶化或非晶化的相变，使得相变功能单元最终处于晶态或者非晶态，以对相变功能单元进行写入操作。
[0015]在一个可选的示例中，向所述Y分支型波导的两个Y分支分别输入一个检测信号，通过检测输出光信号的强度，并与输入检测信号的强度进行对比，确定两个相变功能单元的透过率，以对相变功能单元进行读取操作；所述检测信号为功率较小的不会改变相变功能单元状态的光脉冲或连续光。
[0016]在一个可选的示例中，每个相变功能单元由下至上包括：相变功能单元层和保护层；所述保护层用于防止相变功能单元被氧化。
[0017]在一个可选的示例中，所述相变功能单元复折射率的实部大于Y分支型波导复折射率的实部以及所述相变功能单元复折射率的虚部不为0中所提到的复折射率，指的是相变功能单元和Y分支型波导在所述光脉冲信号和检测信号两种信号波长下的复折射率。
[0018]在一个可选的示例中，所述光脉冲信号为第一光脉冲信号或第二光脉冲信号之一；所述第一光脉冲信号为可以使相变功能单元由非晶态进行部分晶化或使相变功能单元由部分晶态进行非晶化的光信号；所述第二光脉冲信号为可以使相变功能单元由非晶态维持在非晶态或使相变功能单元由部分晶态进行非晶化的光信号。
[0019]在一个可能的实施例中，每个相变功能单元由下至上包括：GST相变功能单元层和氧化铟锡(ITO)保护层；所述GST相变功能单元层的材料为Ge2Sb2Te5。
[0020]可以理解的是，本专利技术实施例中以Ge2Sb2Te5为可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物进行举例说明，但并不用作对本专利技术保护范围的任何限定，凡是可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物均应当属于本专利技术所采用的相变功能单元材料的保护范围内。
[0021]在一个可能的实施例中，所述Y分支型波导的材料为Si3N4。
[0022]第二方面，本专利技术提供一种上述第一方面给出的Y分支型相变全光布尔逻辑器件的全二元逻辑实现方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件，其特征在于，包括：一个Y分支型波导和两个相变功能单元；所述Y分支型波导的两个Y分支上分别具有两个凸出的脊；所述两个相变功能单元分别覆盖于所述两个Y分支凸出的脊上；基于倏逝波耦合效应，在Y分支型波导中输入较大功率光脉冲信号，相变功能单元将吸收部分光功率并产生晶化或非晶化的相变，实现写入操作；利用相变功能单元在晶态或非晶态时对检测光信号的透过率不同，实现对其结晶状态的读取；通过对相变功能单元的写入和读取操作，所述Y分支型相变全光布尔逻辑器件可实现全部16种二元布尔逻辑计算功能。2.如权利要求1所述的Y分支型相变全光布尔逻辑器件，其特征在于，所述相变功能单元的材料为在不同光脉冲作用下可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物。3.如权利要求1所述的Y分支型相变全光布尔逻辑器件，其特征在于，所述相变功能单元复折射率的实部大于Y分支型波导复折射率的实部，使得Y分支型波导中传播的光有一部分进入相变功能单元传播，之后再汇入Y分支型波导中继续传播；所述相变功能单元复折射率的虚部不为0，使得相变功能单元对其传播的光有吸收。4.如权利要求1所述的Y分支型相变全光布尔逻辑器件，其特征在于，所述16种二元布尔逻辑运算包括：逻辑真、逻辑假、P、Q、非P、非Q、P与Q、P与非Q、P或Q、P或非Q、P蕴涵Q、P蕴涵非Q、P逆蕴涵Q、P逆蕴涵非Q、P异或Q以及P同或Q逻辑运算。5.如权利要求1所述的Y分支型相变全光布尔逻辑器件，其特征在于，向所述相变功能单元所在的Y分支侧输入光脉冲信号，所述相变功能单元按照其吸收的光功率情况进行升温，进而可能产生晶化或非晶化的相变，使得相变功能单元最终处于晶态或者非晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，何柱力，张博凯，刘香君，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：