[发明专利]基于并行双微环谐振器的光学逻辑门

说明书

技术领域

本发明涉及用于光信息处理与光计算技术领域，尤其涉及一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，特别地，该光学逻辑门用一种结构紧凑的硅基集成化微环谐振器实现逻辑运算功能。

背景技术

随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，人们日常生活中所面临的待处理的信息量大大增加，如：视频会议、可视电话、智能家居、物联网等。这样以来，传统的电子学的信息处理与计算无论是在功耗还是在速度方面都存在很大的弊端。光信息处理与光计算作为代替电信息处理与计算的最有效的途径之一，其越来越受到科研人员的重视，而作为光信息处理与光计算的最基本的构造单元之一的光学逻辑门也正逐渐成为科研人员的研究热点。

光学逻辑门是光信息处理与光计算中必不可少的元件。传统的布尔逻辑门是由三极管级联而成，如TTL与门，对于一个逻辑门需要驱动多个三极管，这样功耗相对较高，而光学逻辑门工作时相当于一个选择开关，功耗相对较低。在延时方面，传统的布尔逻辑门由于需要多个三极管，每经过一个三极管都要引入一个延时，这些延时最终会累加起来，从而会引入更大的延时，甚至会带来错误的运算结果，而光学逻辑门所有的输入都是并行的，每一个输入元素相互独立，最终运算的结果在光域中以光强的形式表示出来，这样带来的延时很小，可以忽略不计。光学逻辑门可以在一个端口得到运算的逻辑值另一端口得到逻辑值的非，这样一个器件可以得到两种运算结果。

历史上曾经有两次大规模的光逻辑与光计算的研究热潮。当时集成光学还未得到充分发展，体光学元件实现的光信息处理系统往往体积庞大而且可编程性极低，与集成度高、可编程性能优越的微电子技术相比优势非常少。时至今日，在光通信产业的推动下，借鉴微电子工艺实现的集成光学器件性能已经有了长足进步，能实现的功能越来越丰富，工作模式也越来越灵活。基于这些集成光学器件的光信息处理研究重新获得了重视。

美国康奈尔大学的Qianfan Xu等科研人员发表于2007年的“All-optical logic based on silicon micro-ring resonators”描述了他们利用硅基集成化的单个微环实现全光的与及与非的逻辑门方法。但是，该方法需要较强的光信号激励。

基于集成光学的逻辑单元易于实现大规模集成、功耗较低、体积小、延时小、速度快，在不久的将来可能在高速、高性能的处理器单元及在片上光互连中发挥着重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，以解决传统电学逻辑门中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险的问题，达到提高光信息处理与光计算中信息处理速度的目的，并保持器件的小体积、低功耗及低成本。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于并行双微环谐振器的光学逻辑门，该光学逻辑门由两个并行的微环谐振器和两条相互平行的纳米线波导实现，其两个输入是待计算的电脉冲序列，输出的计算结果是光脉冲序列。

上述方案中，该光学逻辑门采用绝缘体上的硅(SOI)材料制备，基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。在信号传输速率(兆量级以下)要求不高的情况下，一般采用热调制。热调制在工艺上易于实现。在高速(吉量级)传输系统需要采用电调制，但是，相比于热调制，电调制的工艺稍微复杂。

上述方案中，所述微环谐振器是由两条相互平行的直波导和一个环形波导构成的微环谐振器，该环形波导的外边缘同时与相互平行的两个直波导之间有一预定的耦合距离。这种结构没有波导交叉出现从而避免了信号间的串扰，提高了微环谐振器的性能，而且这种结构还有利于实现多个微环的级联以便实现更为复杂的逻辑功能。

上述方案中，该光学逻辑门中的两个微环之间有一预定的距离。

上述方案中，该光学逻辑门用于实现四种逻辑运算功能，该四种逻辑运算功能的实现过程是：器件有一个端口输入特定工作波长的连续激光，待运算得两个电脉冲序列分别作用于两个微环谐振器；定义电信号是高电平时，微环谐振器处于谐振状态，电信号是低电平时，微环谐振器处于非谐振状态，则在光学逻辑门的下载端就能得到两个电脉冲序列的‘或’运算的光脉冲序列，直通端就能得到‘或非’运算的光脉冲序列。该逻辑值都是在光域中以光强的形式所表示。如果我们在输出端口加入光电探测器就可以得到运算的结果。运算的结果是以光波的形式所表示，该结果当然可以直接在光纤中传输从而直接进入下一级进行处理。