[发明专利]一种集成光电子混合比特可逆逻辑门

说明书

本发明涉及一种集成光电子混合比特可逆逻辑门，包括光波通路、物理场调控导引通路及转换介质，光波通路包括至少三个光学路由转换，光学路由转换之间通过相对设置的两通路分支连接，转换介质包括至少两个，分别设置于不同光学路由转换之间的一通路分支上，转换介质分别连接有物理场调控导引通路，可逆逻辑门设置有使能端口及数量相等的输入和输出端口。本发明利用材料的几何或者物理特性可调原理，通过在转换介质上施加物理场调控信号，可控制光在光波通路中的传输路径，进而达到控制光学信号输出端口功率分配的目的，实现逻辑可逆运算，可有效避免信息比特丢失，降低器件功耗；并可显著降低插入损耗；降低对输入光功率的要求。

技术领域

本发明涉及可逆逻辑门技术领域，特别是一种集成光电子混合比特可逆逻辑门。

背景技术

逻辑门是一种广泛应用于集成光电子回路中的用以实现数字逻辑运算的器件，通常以芯片形式封装，其特点是输入端口的信息比特与输出端口的信息比特构成逻辑关系。

摩尔定律指出，芯片上可以容纳的晶体管数量大约每隔18个月就会翻一翻。晶体管数量的增加在一定程度上改善了处理器的性能，但同时也带来了更多的热量损耗，引起能量浪费。有统计表明，每增加一个信息比特，其对应的热量损耗就增加kTln2，其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。对于一个信息处理系统而言，信息比特损失的越多，其能量损耗的越大。现有的典型逻辑门，例如：与门、或门、异或门等都属于不可逆逻辑门，必然存在信息比特的丢失。目前，有效的解决方法来源于对基本逻辑门的重构或者信息传输媒质的转变。

现代数字信息处理系统中的逻辑门是基于经典的布尔代数运算规则，具有不可逆性，无法从输出推断输入。其原因在于系统中存在大量输入比特的丢失和浪费，由此也引起了大量不必要的能量损耗。可逆逻辑通过数量相等的输入与输出形成双向点对点映射，有效地利用了每一个输入比特，最大限度的降低了能耗。然而，随着“电子瓶颈”的出现，数字集成电路的处理速度正在面临根本性的挑战。电子传输速率较慢的固有缺陷，从本质上决定了单纯的电子信息处理系统只能依靠增加晶体管密度的方式改善处理速度，为高能耗埋下了隐患。

光子可以提供无与伦比的超高速度，其逻辑单元的设计备受关注。光电子可逆逻辑门不仅可以克服传统电子计算的诸多限制，还有望成为量子计算的承载平台。现有的光学逻辑门主要是基于半导体光放大器(SOA)、微环谐振腔、太赫兹光学非对称复用器(TOAD)、非线性光学环形镜(NOLM)和光纤等。在过去的十几年时间里，这些技术在构建与、或、非等经典布尔代数逻辑门方面进步明显，但是每种技术仍存在问题尚需解决，而且不适用于构建可逆逻辑门。例如：SOA需要高驱动电流，并且存在增益饱和问题；微环谐振腔的环长有限，影响它的串扰和开关速度；NOLM的性能非常依赖光强，并且缺乏紧凑性和稳定性。除了这些缺陷以外，基于这些技术的器件只能以分立形式搭建而成，体积较大，不够紧凑。

具有几何或者物理特性可调控的材料在光电子集成方面优势明显，不仅可以提供较大的调控自由度，还带有天然的混合计算基因。这类材料在物理特性上的各向异性决定了其对于某些外加物理场变化的敏感性。当外加物理场时，材料的某些物理特性会发生变化，从而给器件带来了可调控性。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可实现光电混合可逆逻辑运算，有效避免信息比特丢失，降低器件功耗的集成光电子混合比特可逆逻辑门。

本发明采用如下技术方案：