[发明专利]一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列

说明书

本申请是分案申请，母案的申请号：200910082082.8，申请日：2009年4月22日，名称：一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列。

技术领域

本发明涉及用集成光学方式实现的逻辑运算阵列技术领域，特别涉及一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列。

背景技术

本发明利用一种简单的集成光学元件——微环谐振器(Micro-Ring Resonator，MRR)，实现了光信号与电信号的异或(XOR)及同或(XNOR)运算。若采用特殊的非线性光学材料制作，该器件可以进行全光的异或及同或运算。

异或及同或这两种逻辑运算在信息编码与解码、信号奇偶校验、数据加密解密、图像处理、随机数产生等众多场合都有重要应用。随着这些应用对处理速度的要求越来越高，依靠集成电路方式进行处理已经越来越困难，借助光学手段进行处理的做法逐渐得到青睐。实际上，由于光信号的高带宽和高并行性，将光学原理应用到信息处理领域的研究一直未曾间断。

历史上曾经有两次大规模的光计算的研究热潮。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，与突飞猛进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，集成光学工艺与器件技术已经有了长足进步，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计算研究重新获得了重视。

公开于1993年的专利“Optical Mach-Zehnder type logic element which performs an XOR operation”(United States Patent 5315422)描述了利用集成化的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)实现全光异或及同或逻辑门的方法。两个光信号A和B分别照射到MZI的两臂上，引起MZI两臂的相位差，所以二者相同则输出一种结果，相异则输出另一种结果。该方法的主要缺点在于，需要较强的光信号激励，而且其输入方式难以进行平面集成。

公开于2002年的专利“All-optical XOR gate by using semiconductor optical amplifiers”(United States Patent 6930826)提出了一种利用两个半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)实现全光异或逻辑门的方法。该方法利用了非线性光学效应，需要较高的光能量输入，且SOA对输入光的偏振要求严格。

韩国首尔国立大学的Young Jin Jung等科学家发表于2008年的“Demonstration of 10Gbps，all-optical encryption and decryption system utilizing SOA XOR logic gates”(Source：OPTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS，Volume：40，Pages：425-430)描述了他们利用半导体光放大器构建光学异或逻辑门，并用它来实现10Gbps的数据加密与解密系统。该研究都表明，在某些特定应用中，光逻辑与光计算具有比集成电路更大的发展潜力。

用集成光学逻辑单元来构建的系统，可能在不久的将来被用于高性能的专门任务处理器，也可能在集成电路芯片的光互联中发挥作用。

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硅基集成化光学异或及同或运算阵列，以解决集成电路方式实现异或及同或运算所碰到的速度瓶颈问题，达到提高信息编解码等应用中信息处理速度的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列，该光学异或及同或运算阵列由多个光学异或及同或运算单元构成，由该光学异或及同或运算单元组成的一维阵列可同时得到两个向量的异或及同或运算结果，其二维阵列可同时得到向量与矩阵的异或及同或运算结果。

上述方案中，该光学异或及同或运算阵列采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为带热调制机构的纳米线微环谐振器，其一维阵列为1×N排布的带热调制机构的MRR，其二维阵列为N×N排布的带热调制机构的MRR。

上述方案中，两个1×N逻辑向量的异或及同或运算的实现过程是：一个向量的元素决定了一维MRR阵列中相应单元的直波导端口的输入，另一个向量的元素决定了一维MRR阵列中相应单元的环形波导的谐振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到二逻辑向量的异或及同或运算结果。