專利名稱：一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用集成光學(xué)方式實現(xiàn)的邏輯運算陣列技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列。
背景技術(shù)：
本發(fā)明利用一種簡單的集成光學(xué)元件——微環(huán)諧振器(Micro-Ring Resonator, MRR)，實現(xiàn)了光信號與電信號的異或O(OR)及同或(XNOR)運算。若采用特殊的非線性光學(xué)材料制作，該器件可以進(jìn)行全光的異或及同或運算。異或及同或這兩種邏輯運算在信息編碼與解碼、信號奇偶校驗、數(shù)據(jù)加密解密、圖像處理、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生等眾多場合都有重要應(yīng)用。隨著這些應(yīng)用對處理速度的要求越來越高， 依靠集成電路方式進(jìn)行處理已經(jīng)越來越困難，借助光學(xué)手段進(jìn)行處理的做法逐漸得到青睞。實際上，由于光信號的高帶寬和高并行性，將光學(xué)原理應(yīng)用到信息處理領(lǐng)域的研究一直未曾間斷。歷史上曾經(jīng)有兩次大規(guī)模的光計算的研究熱潮。當(dāng)時集成光學(xué)還未得到充分發(fā)展，體光學(xué)元件實現(xiàn)的光信息處理系統(tǒng)往往體積龐大而且可編程性極低，與突飛猛進(jìn)的微電子技術(shù)相比優(yōu)勢非常少。時至今日，在光通信產(chǎn)業(yè)的推動下，集成光學(xué)工藝與器件技術(shù)已經(jīng)有了長足進(jìn)步，能實現(xiàn)的功能越來越豐富，工作模式也越來越靈活?；谶@些集成光學(xué)器件的光計算研究重新獲得了重視。^ Jf T 1993 ip ^ # ^lJ "Optical Mach-Zehnder type logic element which performs an XOR operation” (United States Patent 5315422)描述了利用集成化的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)實現(xiàn)全光異或及同或邏輯門的方法。兩個光信號A和B分別照射到MZI的兩臂上，引起MZI兩臂的相位差，所以二者相同則輸出一種結(jié)果，相異則輸出另一種結(jié)果。該方法的主要缺點在于，需要較強的光信號激勵，而且其輸入方式難以進(jìn)行平面集成。公開于2002年的專利‘‘All-opticalXOR gate by using semiconductor optical amplifiers”(United States Patent 6930826)提出了一種利用兩個半導(dǎo)體光放大器 (S0A, Semiconductor Optical Amplifier)實現(xiàn)全光異或邏輯門的方法。該方法利用了非線性光學(xué)效應(yīng)，需要較高的光能量輸入，且SOA對輸入光的偏振要求嚴(yán)格。韓國首爾國立大學(xué)的^ung Jin Jung等科學(xué)家發(fā)表于2008年的“Demonstration of IOGbps,all-optical encryption and decryption system utilizing SOA XOR logic gates” (Source :0PTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS, Volume :40, Pages :425-430)描述了他們利用半導(dǎo)體光放大器構(gòu)建光學(xué)異或邏輯門，并用它來實現(xiàn)10(ibpS的數(shù)據(jù)加密與解密系統(tǒng)。該研究都表明，在某些特定應(yīng)用中，光邏輯與光計算具有比集成電路更大的發(fā)展?jié)?br> 3力。用集成光學(xué)邏輯單元來構(gòu)建的系統(tǒng)，可能在不久的將來被用于高性能的專門任務(wù)處理器，也可能在集成電路芯片的光互聯(lián)中發(fā)揮作用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，以解決集成電路方式實現(xiàn)異或及同或運算所碰到的速度瓶頸問題，達(dá)到提高信息編解碼等應(yīng)用中信息處理速度的目的。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，該光學(xué)異或及同或運算陣列由多個光學(xué)異或及同或運算單元構(gòu)成，由該光學(xué)異或及同或運算單元組成的一維陣列可同時得到兩個向量的異或及同或運算結(jié)果，其二維陣列可同時得到向量與矩陣的異或及同或運算結(jié)果。上述方案中，該光學(xué)異或及同或運算陣列采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的納米線微環(huán)諧振器，其一維陣列為IXN排布的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR，其二維陣列為NXN排布的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR。上述方案中，兩個IXN邏輯向量的異或及同或運算的實現(xiàn)過程是一個向量的元素決定了一維MRR陣列中相應(yīng)單元的直波導(dǎo)端口的輸入，另一個向量的元素決定了一維 MRR陣列中相應(yīng)單元的環(huán)形波導(dǎo)的諧振狀態(tài)，一次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏輯向量的異或及同或運算結(jié)果。上述方案中，在兩個IXN邏輯向量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在N個端口得到異或運算結(jié)果向量的N個元素，在另一個端口得到同或運算結(jié)果向量的元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結(jié)果向量元素的N個端口得到同或結(jié)果向量的N個元素，在上述得到同或運算結(jié)果向量元素和的端口得到異或結(jié)果向量的元素和。上述方案中，IXN邏輯向量與NXN邏輯矩陣的異或及同或?qū)崿F(xiàn)過程是向量的元素決定了二維MRR陣列中相應(yīng)單元的直波導(dǎo)端口的輸入，矩陣的元素決定了二維MRR陣列中相應(yīng)單元的環(huán)形波導(dǎo)的諧振狀態(tài)，一次光的傳播與收集過程即可同時得到邏輯向量與邏輯矩陣的異或及同或運算結(jié)果。上述方案中，在IXN邏輯向量與NXN邏輯矩陣給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進(jìn)行異或運算所得N個結(jié)果向量的和向量的N個元素，在另外N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進(jìn)行同或運算所得N個結(jié)果向量的自身元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結(jié)果的N個端口得到同或結(jié)果向量的和向量的N個元素，在上述得到同或運算結(jié)果向量元素和的端口得到N個異或結(jié)果向量的自身元素和。上述方案中，該光學(xué)異或及同或運算陣列作為運算器，與外圍集成的寄存器、控制器一起，構(gòu)成協(xié)處理器或通用微處理器。(三)有益效果
本發(fā)明的突出優(yōu)點是利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好， 便于與電學(xué)元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高，延遲?。挥脭?shù)字方式進(jìn)行信號處理，避免了模擬光學(xué)系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱的缺點。對本發(fā)明進(jìn)行結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化， 它進(jìn)行異或及同或運算的速度有望超越集成電路手段實現(xiàn)的速度，從而為更高速的信息處理任務(wù)提供支持。本發(fā)明提出的集成化邏輯運算陣列之所以具有這樣的優(yōu)點與潛力，與它所采用的材料屬性及器件工作原理關(guān)系密切。


為使本發(fā)明的方案得到更清楚地闡述，解釋附圖如下圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器(MRR)；圖2為用來對MRR進(jìn)行調(diào)諧的電極結(jié)構(gòu)；圖3為單個MRR實現(xiàn)異或/同或運算的工作原理示意圖；圖4為一維MRR陣列實現(xiàn)向量-向量異或/同或運算的工作原理示意圖；圖5為二維MRR陣列實現(xiàn)向量_矩陣異或/同或運算的工作原理示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為微環(huán)諧振器(Micro-Ring Resonator，MRR)，采用硅基納米線波導(dǎo)制作。該邏輯運算單元用激光脈沖表示一個邏輯變量，用電調(diào)制信號表示另一個邏輯變量，同時完成二者的異或及同或運算。由該邏輯運算單元組成的陣列則可以完成向量與向量的異或/同或運算，以及向量與矩陣的異或/同或運算。首先，在材料方面，本發(fā)明采用的是絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator， S0I)材料。SOI是指在SiO2絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜，其制備及加工工藝與廣泛使用的 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS) 工藝兼容。SOI波導(dǎo)的芯區(qū)為硅，材料折射率為3. 5，包層為空氣(或二氧化硅)，材料折射率為1 (或1. 44)。由于芯區(qū)和包層的折射率差很高，SOI波導(dǎo)的光場限制能力很強。高的折射率差使得彎曲波導(dǎo)的彎曲損耗很低，彎曲半徑為5微米時的彎曲損耗仍然很小，這使得在一個芯片上實現(xiàn)多個不同形狀與功能的SOI波導(dǎo)器件的集成成為可能；而傳統(tǒng)波導(dǎo)器件的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級，極大的占用了芯片面積，一塊芯片上通常只能放下一個器件。其次，在器件方面，本發(fā)明的基本單元為基于硅基納米線波導(dǎo)的微環(huán)諧振器，它是一種功能多樣，性能優(yōu)越，近年來被廣泛研究的集成光學(xué)元件。圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖，它由兩個相互交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成。利用微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)光開關(guān)、光調(diào)制器、光濾波器、光分插復(fù)用器等很多光通信用功能部件。由于環(huán)形波導(dǎo)的半徑可以小至5微米，其器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以實現(xiàn)器件密度為105/cm2以上的高集成度， 減少分立器件耦合時的損耗，同時降低器件的封裝成本。下面通過分析光信號在圖1所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其工作原理(1、3 端口之間的直波導(dǎo)稱為a，2、4端口之間的直波導(dǎo)稱為b)
(1) 一定波長的激光脈沖信號由1端口輸入，進(jìn)入MRR后在直波導(dǎo)中向前傳播。盡管SOI納米線波導(dǎo)折射率差大，光場限制能力強，但仍有倏逝場彌散到直波導(dǎo)之外；(2)在光信號經(jīng)過環(huán)形波導(dǎo)時，由于環(huán)形波導(dǎo)材料折射率比周圍材料高，根據(jù)電磁場傳播的基本規(guī)律，光場將向折射率高的區(qū)域傳播，所以彌散到直波導(dǎo)a之外的光場將有一部分耦合進(jìn)環(huán)形波導(dǎo)中；(3)如果光信號的波長滿足諧振條件(mX λ = NgX2 π XR，其中m為整數(shù)，稱為諧振階數(shù)，λ為光信號波長，Ng為環(huán)形波導(dǎo)的群折射率，R為環(huán)形波導(dǎo)半徑)，那么光脈沖在環(huán)形波導(dǎo)中傳播若干圈之后，其能量將幾乎全部由a耦合進(jìn)環(huán)形波導(dǎo)，并由環(huán)形波導(dǎo)耦合進(jìn)b，最終由4端口輸出G端口稱為下路端，上述過程稱為下路)。而如果光信號的波長不滿足上面所謂的諧振條件，那么盡管部分光場會從a進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)，但最終仍會回到a中， 然后幾乎全部由3端口輸出(3端口稱為直通端，上述過程稱為直通)。如若信號由端口 2 輸入，那么端口 3是相應(yīng)的下路端，端口 4是相應(yīng)的直通端，工作原理與上面描述的由端口 1輸入時完全相同。上面分析的是MRR的靜態(tài)工作特性，即MRR固定地使某些波長信號下路，某些波長信號直通。實際工作時，需要MRR諧振波長動態(tài)可調(diào)(即動態(tài)濾波)以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。下面對諧振波長計算公式mX λ =Ν8Χ2π XR進(jìn)行分析，從而得出如何調(diào)節(jié)MRR使得它的下路波長動態(tài)可調(diào)。通過上面的諧振條件公式可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長以實現(xiàn)動態(tài)濾波，可以改變的物理量有環(huán)形波導(dǎo)的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之后就確定下來，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以只能通過調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng，來改變MRR的諧振波長。硅材料的折射率隨溫度變化而變化，此即為硅材料的熱光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以實現(xiàn)對群折射率Ng的調(diào)節(jié)。利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)技術(shù)在微環(huán)上生長金屬電極，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的群折射率Ng隨之變化，帶來MRR諧振波長的改變，從而實現(xiàn)動態(tài)濾波——即對于某一特定波長，可以通過電信號控制使它或者從下路端， 或者從直通端輸出。電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。硅材料的熱光效應(yīng)可以用下式表示dn/dT = 9. 48X 10_5+3. 47 X IO-7XT-I. 49 X IO^10T2+. . .(1)其中dn為折射率變化量，dT為溫度變化量，T為環(huán)境溫度。在常溫下(T = 300K)， dn/dT = 1. 86X 10_4/K，折射率隨溫度的升高而增大。Si的大熱光系數(shù)和高熱導(dǎo)率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保證SOI的熱光調(diào)節(jié)有較快的響應(yīng)速度。同時，埋層SW2的熱導(dǎo)率很小， 只有Si的百分之一，可以有效的起到絕熱的作用，減少熱量散失，降低開關(guān)功耗。因此SOI 是很好的熱光效應(yīng)材料。另外，從諧振波長計算公式mX λ = NgX2 π XR還可以看出，由于m只能取整數(shù)值，微環(huán)形諧振器的諧振波長是離散的，相鄰兩個諧振波長的間隔稱為自由光譜范圍(Free Spectral Range，F(xiàn)SR)，其值可以表示為FSR = Am2/(NgX2 π XR)(2)其中λ m為諧振波長計算公式中整數(shù)m對應(yīng)的諧振波長，F(xiàn)SR是諧振階數(shù)(m_l)與 (m+1)所對應(yīng)諧振波長與間隔，由⑵可見FSR與環(huán)的半徑成反比。受彎曲損耗的限制，微環(huán)的半徑通常不小于5微米，此時FSR的通常為十幾個納米。本發(fā)明擬采用的波段為光通信中常用的1.55μπι區(qū)域，信道間隔為100GHz，對應(yīng)的波長間隔約為0. Snm0由諧振波長計算公式可以得到諧振波長變化與折射率變化的關(guān)系A(chǔ)Ng = NgX Δ λ/λ(3)如果想調(diào)節(jié)諧振波長至相鄰的一個信道波長，即波長變化0. 8nm,那么對應(yīng)的折射率變化大約為0. 0023 (計算時采用Ng的近似值4. 5——群折射率不同于材料折射率)，對應(yīng)的溫度變化約為12K。根據(jù)(4)與(5)式可以分別對器件的功耗和響應(yīng)時間進(jìn)行計算， P為器件功耗，τ為響應(yīng)時間。對單個邏輯運算單元，其最大功耗約為3mW，響應(yīng)時間約為
權(quán)利要求
1.一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學(xué)異或及同或運算陣列由多個光學(xué)異或及同或運算單元構(gòu)成，由該光學(xué)異或及同或運算單元組成的一維陣列可同時得到兩個向量的異或及同或運算結(jié)果，其二維陣列可同時得到向量與矩陣的異或及同或運算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學(xué)異或及同或運算陣列采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的納米線微環(huán)諧振器，其一維陣列為IXN排布的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR，其二維陣列為NXN排布的帶熱調(diào)制機(jī)構(gòu)的MRR。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，兩個 IXN邏輯向量的異或及同或運算的實現(xiàn)過程是一個向量的元素決定了一維MRR陣列中相應(yīng)單元的直波導(dǎo)端口的輸入，另一個向量的元素決定了一維MRR陣列中相應(yīng)單元的環(huán)形波導(dǎo)的諧振狀態(tài)，一次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏輯向量的異或及同或運算結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，在兩個 1 XN邏輯向量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在N個端口得到異或運算結(jié)果向量的N個元素，在另一個端口得到同或運算結(jié)果向量的元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結(jié)果向量元素的N個端口得到同或結(jié)果向量的N個元素，在上述得到同或運算結(jié)果向量元素和的端口得到異或結(jié)果向量的元素和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，IXN邏輯向量與NXN邏輯矩陣的異或及同或?qū)崿F(xiàn)過程是向量的元素決定了二維MRR陣列中相應(yīng)單元的直波導(dǎo)端口的輸入，矩陣的元素決定了二維MRR陣列中相應(yīng)單元的環(huán)形波導(dǎo)的諧振狀態(tài)，一次光的傳播與收集過程即可同時得到邏輯向量與邏輯矩陣的異或及同或運算結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，在IXN 邏輯向量與NXN邏輯矩陣給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進(jìn)行異或運算所得N個結(jié)果向量的和向量的 N個元素，在另外N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進(jìn)行同或運算所得N個結(jié)果向量的自身元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結(jié)果的N個端口得到同或結(jié)果向量的和向量的N個元素，在上述得到同或運算結(jié)果向量元素和的端口得到N個異或結(jié)果向量的自身元素和。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學(xué)異或及同或運算陣列作為運算器，與外圍集成的寄存器、控制器一起，構(gòu)成協(xié)處理器或通用微處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基集成化光學(xué)異或及同或運算陣列，該光學(xué)異或及同或運算陣列由多個光學(xué)異或及同或運算單元構(gòu)成，由該光學(xué)異或及同或運算單元組成的一維陣列可同時得到兩個向量的異或及同或運算結(jié)果，其二維陣列可同時得到向量與矩陣的異或及同或運算結(jié)果。本發(fā)明的突出優(yōu)點是利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與電學(xué)元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高，延遲??；用數(shù)字方式進(jìn)行信號處理，避免了模擬光學(xué)系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱的缺點。經(jīng)過結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化，本發(fā)明對異或及同或運算的處理速度將可能超越集成電路處理方式的速度，為更高速的應(yīng)用提供支持。
文檔編號G02F1/35GK102436116SQ20111043945
公開日2012年5月2日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者冀瑞強, 劉育梁, 張磊, 楊林, 耿敏明, 賈連希, 陳平 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所